Brevet FR2112007A1 — publié le 19720616

ta présente invention concerne un échangeur de chaleur plus particulièrement destine à être utilisé pour les échanges entre des fluides susceptibles de produire des réactions: ex- plosives en cas de fuite, comme l'eau et le sodium liquide, notamment dans les générateurs de vapeur chauffés par le sodium liquide dans des installations thermiques associées à des réacteurs nucléaires à neutrons rapides. On sait que le principal problème posé par de tels échangeurs concerne la sécurité en cas de fuite. Ce problème a pu être partiellement résolu en réalisant les échangeurs à partir de modules de petite taille que l'on juxtapose en un nombre suffisant pour obtenir la puissance désirée, ces modules étant alors faciles a surveiller, à isoler les uns des autres, et à réparer après accident, ou éventuellement à remplacer par échange standard. Si cette solution s test révélée satisfaisante pour des installations de faible puissance, elle présente par contre l'inconvénient, sur le plan des investissements, de ne pas permettre de bénéficier de l'économie que l'on attend généralement des installations de grande puissance. Dans le cas des installations importantes et notamment des générateurs de vapeur associés aux réacteurs de puissance à neutrons rapides, on prefère des solutions dites unitaires, où toutefois, l'échangeur, de grandes dimensions, offre moins de possibilités que les petits modules, sur le plan de la dispo- nibilité notamment: difficultés de détection des fuites, difficultés à accepter les effets d'une réaction violente, difficultés de réparation apres accident, etc... La présente invention vise essentiellement à la conception d'un échangeur réalisable en unités de grande puissance, plus économiques par conséquent que les appareils modulaires, mais présentant simultanement les avantages de ces derniers concernant la flabilité et la disponibilité. L'invention concerne plus particulièrement un échangeur du type constitué par un faisceau de tubes pour la circula'tion d'un premier fluide d'échange, tel que l'eau, éventuellement sous forme de vapeur faisceau disposé à l'intérieur d'une enveloppe pour la clr uaativn d'un second lade d'échange a l'état liquide, tel que le sodium liquide, et des moyens pour maintenir en fonctionnement normal dans ladite enveloppe, un niveau libre déterminé de liquide, surmonté d'une atmosphère fermée de gaz inerte. Dans les installations classiques, en supposant par ailleurs que les fluides soient l'eau et le sodium, le fait d'accepter la possibilité d'une réaction sodium-eau dans des échangeurs à simple paroi, a conduit à associer à l'échangeur proprement dit, un ensemble de sécurité comprenant notamment une membrane d'éclatement et, au-delt de cette membrane, un circuit d'évacuation avec un séparateur liquide-gaz, pour récupérer le sodium et les produits de la réaction lors de la rupture de la membrane. La présente invention prévoit d'effectuer la récupéra tion, au moins partiellement suivant la gravité de la fuite, à l'intérieur même de l'enveloppe de l'échangeur, selon une conception qui permet une plus grande sécurité dans la détection des petites fuites et qui limite les conséquences des fuites plus importantes. L'échangeur de chaleur selon l'invention, se caractérise essentiellement en ce qu'il comporte un réservoir d'expansion dans un espace ménagé dans ladite enveloppe entre les tubes et au moins un déversoir dudit liquide dans ledit réservoir audit niveau. Selon une caractéristique secondaire, ce réservoir est prolongé au-dessus dudit niveau par un séparateur liquide-gaz capable, en cas de projection de liquide dans l'atmosphère de gaz inerte, de renvoyer le liquide vers le réservoii-. Selon une autre caractéristique de l'invention avantageusement appliquée en combinaison avec les précédentes, l'échan- geur comporte, entre le réservoir interne et l'enveloppe, un cloisonnement interne définissant des alvéoles et ceux-ci sont pourvus de moyens individuels d détection des fuites. L'invention est illustrée ci après par la description d'un mode de réalisation particulier, choisi a titre d'exemple. Cette description qui ne saurait avoir aucun caractère limitatif vis- -vis de l'inxtention, se refeie à la figue unique jointe qui représente schématiquement une vue en couine :onr udinale verticale d'non échangez; ion ltinwention. Dans le mode de réalisation particulier décrit, il s'agit d'un échangeur utilise comme générateur de vapeur associé à un réacteur nucléaire à neutrons rapides. De l!eau y est vaporisée par échange avec du sodium liquide chauffé par le réacteur. L'échangeur est essentiellement formé par une multitude de tubes 2 disposés à l'intérieur d'une enveloppe 4, sensiblement de forme cylindrique. Dans la conception représentée, particulièrement avantageuse, mais non obligatoire, les tubes 2 sont enroulés en forme de serpentins hélicordaux ayant pour axe celui de l'enveloppe 4, mais de différents diamètres. Destinés à la circulation de l'eau qui se transforme en vapeur, ils peuvent être, dans une disposition avantageuse, reliés à l'extérieur de l'enveloppe 4, à un distributeur annulaire d'alimentation en eau 5, et à un collecteur de vapeur 6, également annulaire, mais ils peuvent aussi être reliés à des plaques tubulaires, ou à tout autre dispositif de collectage. Dans le cas plus particulièrement décrit, distributeur et collecteur se trouvent au-dessus des serpentins, les tubes comportant alors des parties verticales, rectilignes 7 entre le distributeur d'alimentation et l'extrémité inférieure des serpentins. Toutefois, on a egalement illustré en traits mixtes sur la figure, une variante de réalisation dans laquelle ces parties rectilignes, sont supprimées: du côté de l'alimentation en eau, les tubes pénètrent dans l'enveloppe en traversant la partie inférieure de celle-ci. L'enveloppe 4 est destinée à contenir du sodium liquide en circulation au contact des parois des tubes 2. Le sodium est introduit dans l'enveloppe par des tubulures d'alimentation 8, débouchant dans l'exemple représenté sur la figure jointe et de façon avantageuse, mais non nécessaire, face à un baffle déflecteur lO,et sort de l'échangeur par une tubulure inférieure 12. En fonctionnement normal, le sodium liquide remplit l'enveloppe 4 jusqu'à un niveau libre 11, dont la position est telle que l'ensemble des serpentins hélicoldaux baigne dans le sodium liquide. Au-dessus du niveau libre 11, l'enveloppe 4 contient une atmosphère fermée de gaz inerte 14, par exemple d'argon. Dans l'enveloppe 4, et, par exemple, dans l'espace laissé libre au centre de serpentins hélicoidaux, l'échangeur comporte un réservoir 13, limité latéralement par une virole cylindrique. Des déversoirs 16 sont prévus au niveau de la surface libre de sodium de l'enveloppe 4 pour faire passer par tropplein, le sodium liquide excédentaire dans le réservoir 13. Le sodium liquide est repris au fond de ce réservoir par une canalisation 17 pour être renvoyé dans le circuit extérieur de sodium, de préférence en amont d'un dispositif épurateur tels que ceux qui sont habituellement prévus sur les circuits de sodium. En fonctionnement, le réservoir 13 joue le rôle de réservoir d'expansion, comme d'ailleurs l'atmosphère de gaz inerte 14. Mais en outre, il est destiné à recevoir le sodium liquide projeté au-dessus du niveau libre normal lors des fuites entraînant une réaction violente entre le sodium et l'eau. A cet effet, le réservoir 13 est prolongé au-dessus du niveau libre de sodium et jusqu'au couvercle supérieur de l'enveloppe, par un séparateur 18 formé par exemple par le prolongement de la virole du réservoir, mais pourvu d'orifices convenablement dessinés, par exemple, de fentes longitudinales 20 qui, par leur orientation sont susceptibles d'imprimer au sodium un mouvement de rotation (effet de "Vortex") quand il traverse à grande vitesse ces orifices. Au-dessus du séparateur dans l'axe de celui-ci, l'enveloppe de l'échangeur comporte une membrane de rupture 22 susceptible d'éclater lorsque la pression dans l'échangeur dépasse une valeur prédéterminée. Lorsque par suite d'une réaction violente entre le sodium et l'eau, l'émulsion constituée par le sodium et les produits de réaction est projetée dans l'atmosphère 14, le séparateur 18 permet de renvoyer le liquide et les produits de reaction solides ou liquides dans le réservoir 13, tandis que les gaz peuvent s'échapper, après rupture de la membrane 22, vers un circuit d'évacuation des produits de la réaction. Entre le réservoir d'expansion 13 et l'enveloppe 4, l'échangeur comporte un cloisonnement interne, formé dans le cas particulier décrit, de cloisons annulaires 25 et radiales 26. Le cloisonnement ainsi obtenu, du type-"nid d'abeille", divise le volume de l'échangeur occupé par les serpentins, en un grand nombre d'alvéoles longitudinaux. Un cloisonnement similaire, constitué seulement de parois radiales, est également prévu dans la zone des parties rectilignes des tubes assurant la descente de l'eau d'alimentation, entre la virole du réservoir 13 et un baffle thermique 23 qui les sépare du faisceau hélicoïdal proprement dit. Suivant une réalisation particulièrement- avantageuse et facilitant notamment le montage de l'échangeur et les éventuels démontages pour réparation, les parois constituant ce cloisonnement sont mises à profit pour supporter les tubes du faisceau, et chaque paroi annulaire soutient les éléments de cloisons radiales immédiatement extérieurs ainsi que les tubes correspondants. Chaque ensemble ainsi constitué est susceptible d'être glissé entre les ensembles interne et externe voisins pour assemblage. La présence d'un tel cloisonnement interne, du type "nid d'abeille", permet de découper l'écoulement du sodium en un certain nombre de veines indépendantes, sans toutefois réaliser une étanchéité absolue entre ces veines. Cette fonction existe également en dehors du faisceau hélicoidal proprement dit, car les parois radiales 26 (et éventuellement annulaires 25) du cloisonnement se prolongent au-dessus du niveau libre de sodium et, dans le sodium, dans le voisinage des tubulures d'entrée et de sortie 8 et 12. Le cloisonnement interne permet de ce fait, de faciliter la détection des fuites et leur localisation, en prévoyant une détection individuelle dans chacun des alvéoles. La détection peut s'effectuer par exemple par dosage de l'hydrogène dans le sodium passant dans chaque alvéole, prélevé par une sonde non représentée. Ce dosage est avantageusement complété par un dosage analogue sur le sodium s'écoulant dans le réservoir 13, en aval des déversoirs. Un autre type de contrôle, pour les fuites moyennes, peut également être assuré en surveillant le niveau du sodium de chaque alvéole au moyen de Fondes 24 comportant un détecteur de niveau haut place à une faible distance au-dessus du niveau libre de sodium. Selon d'autres avantages pour le comportement de l'échangeur en cas de frs suffisantes pDu- proo-er une réaction violente entre l'eau et le sndialm: le loisonnement alvéalaire permet d'éviter la généralisation des dégats provoqués par la réaction (corrosion notamment) et d'éviter également que les produits de la réaction soient dispersés dans tout le faisceau d'échange. La propagation de la pression engendrée s'effectue unidirectionnellement, ce qui. en limite les effets et facilite. l'étude théorique ou la simulation. expéri- mentale des phénomènes.De plus, le supportage partiel par les parois des alvéoles, permet aux tubes de mieux résister aux efforts transversaux d'entrainement dus à la réaction Enfin, la division en alvéoles rend d'autant plus efficace le rle du réservoir central 13 en limitant la masse~des produits susceptibles d'être éjectés par la réaction Ceci permet d'utiliser un réservoir de dimensions raisonnables qui, dans un échangeur à serpentins hélicoïdaux, est situé au centre du faisceau, précisément dans une zone où l'on n'a pas intérêt à placer des serpentins, car le diamètre d'enroulement serait trop petit. Les réservoirs 13 mis en place à l'intérieur même de l'échangeur apportent divers avantages en plus de. leur rôle dans la séparation et la récupération. des produits d'une éventuelle réaction sodium-eau. En particulier, ils réalisent par trop-plein, la régulation du niveau libre de sodium dans l'échangeur. On supprime ainsi la régulation de niveau. effec- tuée dans les échangeurs classiques par réglage de la pression du gaz inerte, régulation qui compliquait l'installation et contribuait à faire varier la concentration d'hydrogène dans le gaz inerte, donc aussi par contrecoup celle de l'hydrogène dans le sodium en perturbant par suite la détection. des fuites. C'est également l'existence d'un niveau maximal jamais dépassé en fonctionnement normal, même en régime transitoire, qui permet d'effectuer une détection des fuites basée-sur llob- servation des dépassements éventuels de ce niveau comme décrit ci-dessus. On peut également signaler que la conception de l'échangeur selon l'invention, permet de simplifier le circuit d'évacuation des produits par la membrane d'éclatement, qui ne reçoit guère q-e des gaz, de limiter les risques de contamination du c rcu -c extérieur de sodium en cas de fait et faire favctiser la résistance mécanique de l'ensemble en supprimant les chocs thermiques sur le réservoir de récupération des produits qui se trouvent constamment maintenus en température par le sodium du trop-plein. Naturellement l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation particulier décrit ci-dessus à titre d'exemple. Elle en englobe au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Echangeur de chaleur du type eau-sodium liquide comportant un faisceau de tubes pour la circulation d'un premier fluide d'échange tel que l'eau, disposés à l'intérieur d'une enveloppe pour la circulation d'un second fluide d'échange à l'état liquide, tel que le sodium liquide et des moyens pour maintenir en fonctionnement normal dans ladite enveloppe, an niveau libre déterminé de liquide, surmonté d'une atmosphère fermée de gaz inerte, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir d'expansion dans un espace ménagé dans ladite enveloppe entre les tubes et au moins un déversoir dudit liquide dans ledit réservoir audit niveau. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit réservoir est prolongé au-dessus dudit niveau par un séparateur liquide-gaz capable, en cas de projection de liquide dans l'atmosphère de gaz inerte, de renvoyer le liquide vers le réservoir. 3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de reprise du liquide au fond dudit réservoir. 4.Echangeur de chaleur du type eau-sodium liquide, comportant un faisceau de tubes pour la circulation d'un premier fluide d'échange tel que l'eau, disposés à l'intérieur d'une enveloppe pour la circulation d'un second fluide d'échange à l'état liquide tel que le sodium liquide et des moyens pour maintenir en fonctionnement normal dans ladite enveloppe, un niveau libre déterminé de liquide, surmonté d'une atmosphère fermée de gaz inerte, caractérisé en ce que ladite enveloppe est divisée en alvéoles par un cloisonnement interne et en ce qu'il comporte des moyens de détection des fuites individuellement dans chacun desdits alvéoles. 5. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits tubes sont enroulés en serpentins hélicoidaux autour dudit réservoir, disposé dans l'axe de l'enveloppe, et en ce qu'il comporte des cloisons annulaires et radiales entre le réservoir et l'enveloppe définissant es alvéoles pourvus de moyfl individuels de détection des fuites. 6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que l'un des moyens individuels de détection de fuites comporte l'utilisation d'un détecteur de niveau haut placé à une faible distance au-dessus du niveau libre de sodium.