Brevet FR2120180A1 — publié le 19720811

La présente invention se rapporte aux appareils pour la purification d'un métal fondu. Il a été mis au point un réacteur du type " breeder fast désigné dans la profession par le sigle " FBR " dans lequel du mé tai fondu, et plus particulièrement du sodium fondu est utilisé comme réfrigérant. Le sodium fondu est particulièrement souhaitable comme réfrigérant à cause de sa haute conductivité thermique et de son inertie chimique . Cependant la présence dans le métal fondu de certaines impuretés, telles que le dioxyde de Sodium ( Na2O ) et le carbone, augmente l'affinité du métal fondu . Ce métal doit donc toujours être libéré de ces impuretés. Selon les procédés connus de purification des métaux fondus on peut citer le procédé de purification par le froid, celui de purification par la chaleur, par un filtre mécanique et enfin le procédé de séparation du carbone . Le procédé de purification par le froid d'un métal fondu consiste à refroidir la masse suffisamment pour solidifier les impuretés contenues en solution, telles que le Nua20, et à séparer l'impureté ainsi sol i di fi ée en la retenant au moyen d'un filtre métallique. Dans ce cas seules les impuretés solubles peuvent etre éliminées. De plus lorsque le filtre métallique se trouve radioactivement contaminé la manipulation du filtre en vue de son nettoyage est rendue extrèmement difficile.Le procédé de purification par la chaleur est un moyen qui permet d'éliminer l'oxygène partant du principe que le zirconium à haute température est avide d'oxygène . L' élimination du carbone découle du principe que le fer pur se combine aisément avec le carbone . Par l'un ou 11 autre de ces deux derniers procédés seuls l'oxygène ou le carbone, selon le cas, peuvent etre élimines. Le procédé, objet de la présente invention, et l'appareil le mettant en oeuvre permettent d'éviter ces inconvénients. Pour celà, l'appareil de purification du métal fondu, objet de la présente invention, comprend un réfrigérateur parcouru par le métal fondu dont la tempéra ture se trouve ainsi abaisséesuffisamment pour solidifier les impuretés contenues en solution dans ce métal fondu un séparateur centrifuge relié audit réfrigérateur et recevant après refroidissement le métal fondu et provoquant la séparation du liquide fondu d'un côté et de l'autre, des impuretés solidifiées et autres impuretés solides, un moyen pour chauffer le séparateur et liquéfier à nouveau les impuretés qui y sont retenues moyens pour relier périodiquement ledit séparateur à un moyen destiné à recevoir les déchets pour permettre l'évacuation desdites impuretés hors du séparateur. Afin de mieux faire comprend.re la nature et la portée de la présente invention il va en être fait la description et le dessin d'un dispositif, donnés à titre d'exemple seulement, et dans lequel La figure 1 est une vue schématique explicative des différen.ts éléments formant ensemble l'appareil de purification de métal fondu conforme à la présente invention. La figure 2 est une coupe transversale du séparateur centrifuge formant une partie de l'ensemble de l'appareil de purification de métal. fondu conforme à la présente invention Se référant aux dessins et plus particulièrement à la figure 1, on constate que ce métal fondu tel que le sodium ( Na ) est amené à travers une conduite 10 jusqu'à un élément réfrigérant 11 qui abaisse sa température jusqu'au point de solidification des impuretés qu'il contient en solution. Le métal fondu ainsi refroidi avec les impuretés ainsi précipitées est alors amené à un séparateur centrifuge 14 à travers la vanne de contrôle 12 . La rotation du cylindre 13 du séparateur centrifuge 14 provoque la séparation du métal fondu pur et des impuretés solides, telles que les impuretés solubles précédemment solidifiées et les impuretés insolubles. Le métal fondu pur sort ensuite de l'appareil à travers la conduite 17 contrôlée par la vanne 16, pendant que les impuretés solides s'accumulent contre la paroi interne du cylindre rotatif 13. Un gaz inerte, tel que l'argon, est introduit dans le séparateur centrifuge 14 par la conduite 21 afin d'empêcher la combinaison du métal fondu et de l'oxygène. Quand il s'est déposé sur la paroi interne du cylindre rotatif 13 une quantite d'impuretés telle que l'action de centrifugation diminue son efficacité, la vanne 12 est fermée pour arrêter l'introduction de métal fondu dans le séparateur. Le générateur de chaleur 15, tel qu'une enveloppe chauffante électrique, est prévu autour du séparateur centrifuge 14 . Cet élément calorifique élève suffisamment la température du séparateur pour provoquer la fusion des impuretés accumulées sur la paroi interne du cylindre rotatif 13 . La vanne 18 est alors ouverte pour mettre en relation le séparateur centrifuge 14 avec un réservoir 19 destiné à recevoir les déchets dans lequel les impuretés insolubles sont entraînées en même temps que les impuretés solidîltées mises en fusion .Ce réservoir 19 est un réservoir étanche quelconque dans lequel le gaz argon est aussi introduit par une conduite 20. Grace à un tel procédé et au dispositif le mettant en ceuvre le métal fondu se trouve purifié aussi bien des impuretés insolubIes qui s'y trouvaient en suspension que des impuretés solubles qui s'y trouvaient en solution. Et quand un tel métal fondu est utilisé pour refroidir un réacteur " fast breeder " dit : " FBR " , les déchets peuvent être aisément séparés, meme s'ils sont radioactifs, puisqu'ils sont automatiquement extraits du séparateur et introduits dans le réservoir 19 destiné à le recevoir, sans aucune opération manuelle. De plus un tel appareil conforme à la présente invention est plus efficace que le procédé de séparation par le froid ou tous autres moyens connus, parce que le procédé de séparation centrifuge utilisé pour extraire les particules solides du métal fondu est d'une efficacité absolue. Le séparateur centrifuge 14 peut n'être utilisé que lorsque la proportion dtimpuretés dans le métal fondu atteint une certaine valeur, pour assurer, dans les autres cas, la circulation continue du métal fondu hors du séparateur il peut etre prévu une conduite de dérivation du type " by-path qui permet le retour direct du métal fondu dans le réacteur . Un dispositif détectant la densité des impuretés contenue dans le métal fondu peut être prévu, ce qui permet d'assurer automatiquement le retour direct au réacteur à travers le " by-path " lorsque la densité des impuretés est faible, le métal fondu n'étant acheminé vers le séparateur centrifuge 14 en vue de sa purification, que lorsque la proportion des impuretés qu'il contient atteint une valeur déterminée. Il est évident qu'un tel dispositif permet de détecter aisément l-orsque le séparateur centrifuge 14 ne peut plus retenir les impuretés et qu'il est devenu nécessaire de le chauffer pour extraire les impuretés accumulées sur la paroi interne du cylindre rotatif. Cette perte de rendement dans la purification du métal fondu, alors que l'appareil fonctionne, se manifeste en effet facilement par le fait que l'on constate à sa sortie que la proportion des impuretés détectée n'est pas réduite malgrè le passage du métal dans l'appareil La figure 2 est une coupe partielle transversale du séparateur centrifuge 14 . Une enveloppe étanche fixe 30 comporte trois chambres 31, 32 et 33 séparées entre elles par les cloisons 34 et 35 qui sont approximativement orthogonales à l'axe de l'enveloppe extérieure 30, étant solidaires de la paroi interne de cette enveloppe, l'enveloppe 30 étant ainsi divisée axialement en trois chambres contiguës. La cloison 34 est un disque plein percé en son centre et traversé par un axe 36 à travers un élément formant joint étanche à huile 37, ou bien un joint mécanique étanche, situé au centre de cette cloison 34 . L'arbre 36 traverse aussi en son centre la paroi supérieure de l'enveloppe 30 à travers aussi un élément mécanique 38 formant joint.Dans la chambre supérieure 31 on a introduit par le conduit 21a un gaz inerte, tel que l'argon, pour isoler parfaitement la seconde chambre 32 de l'air ou autres gaz avec lesquels le métal fondu ne doit pas être combiné. L'arbre 36 est solidaire du réservoir rotatif 13 disposé dans la troisième chambre 33 . Cet arbre 36 tourne dans le palier R billes 39 qui le supporte à son extrémité supérieure. Lr palier 39 est supporté lui-même par la console 40 qui est fixée au bati 41 . Un moteur électrique 42 est monté sur le bâti 41, son couple étant transmis à l'arbre 36 par la courroie 43 de manière à entrarner en rotation rapide le réservoir 13 monté sur l'arbre 36 selon son axe. La cloison conique 35 fixée périphériquement à la paroi interne de l'enveloppe 30 comporte une ouverture en son centre. Un flasque 46 situé à l'extrémité supérieure du réservoir rotatif 13 couvre de très près cette ouverture de la cloison 35. Plusieurs orifices 47 sont prévus à travers le sommet du réservoir rotatif 13 pour ménager un pas sage entre le réservoir rotatif 13 et la chambre 32. Le métal fondu contenu dans le réservoir rotatif 13 est projeté hors de celui-ci à travers les trous 47 dans la chambre 32 ,où s'écoulant sur le flasque 46 il se trouve rassemblé sur la cloison 35 en forme de gouttière, atteignant ainsi le conduit 48 situé dans la paroi de l'enveloppe 30 et à travers lequel il sort de l'appareil .La chambre 33 contient aussi du gaz argon qui y b est introduit par le conduit 21b L'enveloppe étanche 30 comporte à sa partie inférieure le conduit 49 à travers lequel le métal fondu pénètre vers le réservoir rotatif 13. L'enveloppe 30 comporte aussi à sa base un moyeu 50 pourvu d'un alésage cylindrique 51, à l'intérieur duquel l'axe du réservoir cylindrique 13 est maintenu positionné en son centre grace à un moyen magnétique conventionnel . La partie inférieure du réservoir rotatif 13 est pourvue en son centre d'un passage permettant au métal fondu amené par le conduit 49 de pénétrer dans la chambre 54 de ce réservoir rotatif . Le métal fondu liquide ne peut pas s'écouler dans l'interstice existant entre l'axe 53 du réservoir 13 et l'alésage 51 grace à sa tension superficielle et la pression du gaz argon contenu dans la chambre 33 .Le métal fondu est mis en rotation rapide dans la chambre 54 et les impuretés solides s'accumulent contre la paroi interne de cette chambre grâce à la force centrifuge, pendant que le liquide purifié est propulsé vers le haut pour atteindre la chambre 32 à travers les orifices 47 Le dispositif de chauffage électrique 15 montré dans la figure 1 n'est pas représenté dans la figure 2, mais il entoure l'enveloppe 30 L'opération de centrifugation va maintenant être décrite en se référant à la figure 2 . Le cylindre rotatif 13 tourne entamé à grande vitesse par le moteur 42 . Le métal fondu arrivant à travers le conduit 49 est aspiré vers le haut du réservoir rotatif 13. Sous l'effet de la force centri fuge, les impuretés solides sont séparées du métal fondu et accumulées sur la paroi interne du réservoir rotatif 13, alors que le métal fondu ainsi purifié est éjecté vers le haut à travers les orifices 47 dans la chambre 32 d'où il sort à travers le conduit 48 La présente invention peut hêtre utilisée pour la purification par centrifugation d'un métal fondu et plus particulièrement pour la purification du sodium fondu assurant le refroidissement des réacteurs. REVENDICATIONS 1") - Procédé permettant la purification d'un métal fondu et dispositif mettant en oeuvre ce procédé caractérisé par le fait qu'il comporte un moyen perme-ttant d'abaisser la température du métal fondu pour solidifier les impuretés qu'il contient en solution, un moyen de séparer par centrifugation les impuretés solides du métal fondu qui les contient et les retenir, un moyen de mise en fusion des impuretés retenues par le moyen centrifuge de séparation, et un moyen permettant le rejet de ces impuretés. 20) - Dispositif mettant en ceuvre ce procédé conforme à la revendication 1, caractérisé par le fait que le moyen pour séparer par centrifugation les impuretés solides du métal fondu qui les contient et pour les retenir, est un séparateur centrifuge qui est relié au refroidisseur et où est amené le métal fondu après son passage dans ledit refroidisseur 30) - Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé par le fait que le séparateur centrifuge comporte un premier réservoir dans lequel le métal fondu est introduit, ledit réservoir étant rotatif autour d'un axe vertical et comportant à sa partie supérieure plusieurs ouvertures le faisant communiquer avec la chambre fixe, d'où le métal fondu s'écoule vers son utilisation 40) - Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé par le fait que le métal fondu est introduit dans le réservoir rotatif à travers un conduit axial traversant la base de ce réservoir. 50) - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2, 3, 4 caractérisé par le fait que le réservoir rotatif est situé à l'intérieur d'une chambre fixe. 60) - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la chambre fixe est divisée en 3 compartiments : le compartiment supérieur étanche traversé par l'axe entraidant le réservoir rotatif dans sa rotation, ledit axe traversant les parois de ce compartiment à travers des joints étanches, un autre compartiment dont la cloison forme gouttière recevant le métal fondu purifié qui s'échappe de la partie supérieure du réservoir rotatif et d'où le métal fondu purifié s'écoule hors du séparateur centrifuge, un compartiment inférieur contenant le réservoir rotatif qui traverse librement la cloison supérieure de ce compartiment qui est coiffée de très près par un flasque conique porté par la partie supérieure du réservoir rotatif et sur lequel flasque s'écoule le métal fondu purifié s'échappant du réservoir rotatif, ledit compartiment inférieur comportant à sa base un palier supportant l'axe inférieur du réservoir rotatif. 70) - Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé par le fait que le moyen de mise en fusion des impuretés solides retenues par le séparateur centrifuge et précédemment solidifiées par l'abaissement de température est un moyen de chauffage, tel qu'un élément de chauffage électrique, enveloppant la chambre fixe. 80) - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le moyen permettant le rejet des impuretés retenues par le séparateur centrifuge est un moyen mettant périodiquement ledit séparateur centrifuge en communication avec un réservoir destiné à recevoir lesdites impuretés en vue de permettre auxdites impuretés mises en fusion et autres impuretés ainsi entraînées de passer dudit séparateur dans ce réservoir destiné aux déchets 90) - Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un gaz inerte tel que l'argon est introduit dans chaque compartiment du séparateur centrifuge sous une pression suffisante pour s'opposer au passage du métal fondu dans les interstices existant au niveau du palier inférieur du réservoir rotatif recevant le métal fondu et pour supprimer tout risque de combinaison de l'oxygène avec le métal fondu. 100) - Dispositif conforme à la revendication 9, caractérisé par le fait qu'un gaz inerte tel que l'argon est introduit dans le réservoir recevant les déchets.