Brevet FR2184398A1 — publié le 19731228

La présente invention a pour objet un procédé pour réguler la température du fluide primaire d'un échangeur thermique et un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé. De façon plus précise, la présente invention a pour objet un moyen de réguler automatiquement la température du fluide caloporteur dans un réacteur nucléaire quel que soit le régime de marche dudit réacteur. Ce résultat selon l'invention, est obtenu par un moyen très simple ne mettant en oeuvre aucune pièce en mouvement et donc très fiable. Le procédé consiste essentiellement à utiliser la dilatation différentielle intervenant sous l'action de la température entre le liquide primaire caloporteur et un liquide auxiliaire. L'ensemble de l'enceinte de l'échangeur dudit réacteur est maintenu à une pression constante. Sous l'action d'une élévation de température le liquide caloporteur se dilate et rejette à l'extérieur de l'enceinte de l'échangeur une partie du liquide auxiliaire non mis cible avec le fluide caloporteur et de densité inférieure à celui-ci. Grâce à l'éjection d'une partie du fluide auxiliaire la surface de contact entre le fluide primaire et le fluide secondaire augmente ainsi que le débit du fluide primaire.On obtient ainsi un abaissement de la température dudit fluide primaire et donc une contraction dudit fluide et par suitepne diminution de la surface d'échange et du débit dudit fluide et donc un retour vers une position d'équilibre. Ce procédé est particulièrement intéressant dans le cas des réacteurs thermoélectroniques sous-marins puisqu'on dispose d'un moyen très simple pour maintenir l'enceinte de l'échangeur à une pression constante qui consiste à mettre en communication ledit échangeur avec l'eau de mer. Pour réguler le refroidissement du coeur du réacteur on place en général une pompe dans le circuit primaire. Cette pompe permet de régler le débit du fluide caloporteur et donc de régler la vitesse d'échange calorifique entre le fluide primaire et le fluide secondaire. De telles pompes sont, d'une part, relativement complexes et donc onéreuses; d'autre part, elles comportent de nombreuses pièces en mouvement et sont donc relativement fragiles. Dans le cas des réacteurs sous-marins les interventions sur ces pompes sont rendues particulièrement difficiles. Un système de régulation tres fiable est donc particulièrement intéressant. La présente invention a précisément pour objet un procédé et un dispositif de régulation du fluide primaire d'un échangeur thermique qui pallient les inconvénients de la technique de lrart antérieur. Le procédé se caractérise en ce que dans l'enceinte de l'échangeur, maintenue à une pression constante, on introduit à chaque instant un liquide auxiliaire non miscible avec le liquide primaire, de densité inférieure à celui-ci, en quantité telle que l'enceinte soit à chaque instant remplie par le fluide primaire et le fluide auxiliaire, les surfaces de contact entre le fluide primaire et le fluide secondaire, et le trajet du fluide primaire dans l'échangeur étant tels que les déplacements vers le haut du niveau du liquide auxiliaire provoquent une augmentation de la surface de contact et du débit du fluide primaire; alors que les déplacements vers le bas dudit liquide provoquent une diminution de la surface de contact et du débit du liquide primaire. Le dispositif se caractérise en ce que l'enceinte de l'échangeur comporte à sa partie supérieure une canalisation en forme de U dont les branches sont tournées vers le bas, la branche non raccordée à l'echangeur débouchant à l'extrémité supérieure d'un réservoir auxiliaire dont l'autre extrémité est mise en liaison avec des moyens pour maintenir l'ensemble constitué par l'échangeur et le réservoir auxiliaire à une pression constante. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la figure unique annexée sur laquelle on a représenté une vue en coupe longitudinale d'un mode de réalisation de l'invention. Dans ce qui suit on va décrire l'application du dispositif de régulation de la température du fluide primaire d'un échangeur thermique à un réacteur thermoélectronique sous-marin. De façon plus précise, il s'agit de l'une des variantes de réalisation du réacteur sous-marin décrit et revendiqué dans la demande de brevet nO EN 7 46706 du 24 décembre 1970 déposée au nom du Commissariat à l'Energie Atomique. Mais il va de soi que le dispositif de régulation de la température peut s'appliquer à d'autres types de circuit primaire de réacteur nucléaire. Sur la figure, on a représenté schématiquement le réacteur avec son coeur 2 constitué d'éléments combustibles classiques et de diodes thermoélectroniques, suspendu à la platine 4 par l'intermédiaire de la structure de supportage 6. Le coeur est placé dans une enceinte de protection biologique 8. La circulation du liquide primaire du coeur du réacteur vers l'échangeur 10 est assurée grâce à une cloison tubulaire 12 et des plaques d'échangeur telles que 14 formant des chicanes pour le liquide primaire. L'échangeur 10, outre les chicanes horizontales 14, comporte des tubes verticaux tels que 16 fixés à chacune de leurs extrémités sur des plaques support 18 et 18'. Le circuit du liquide caloporteur primaire est figuré par les f lèches F1, F2 et F3.Le liquide caloporteur primaire circule par convexion naturelle du coeur vers l'échangeur 10. I1 traverse l'enceinte limitée par la cloison verticale 12, contourne les chicanes 14 en étant au contact du fluide secondaire par l'intermédiaire des tubes 16 et redescend dans l'enceinte 8 de protection biologique. Le liquide primaire ne remplit pas totalement le volume de l'échangeur 10. Le remplissage de ce volume est assuré par un liquide auxiliaire dont on a représenté la surface de séparation avec le fluide primaire caloporteur par la ligne horizontale 20. Ce fluide auxiliaire est également contenu dans un réservoir auxiliaire de forme tubulaire 22, relié à la partie supérieure de l'échangeur 10 par un tube en U 24 ayant ses branches tournées vers le bas. L'extrémité inférieure du réservoir auxiliaire 22 contenant le liquide auxiliaire est en communication avec l'eau de mer environnante qui traverse par ailleurs l'échangeur par les tubes 16.Grâce à cette disposition (mise en communication du réservoir auxiliaire 22 avec l'eau de mer environnante) la pression a l'intérieur de l'ensemble constitué par l'enceinte de protection biologique 8 et l'échangeur 10 est maintenue sensiblement constante. On choisit comme liquide auxiliaire un liquide non miscible avec le liquide caloporteur primaire et avec l'eau de mer, ayant une densité inférieure à la densité dudit fluide caloporteur. Grce a ce choix du liquide auxiliaire, celui-ci reste dans la partie supérieure de l'échangeur 10 et ne se mélange pas au liquide primaire. En outre, il constitue une barrière entre le fluide caloporteur à l'intérieur de l'enceinte du réacteur et l'eau de mer environnante. Comme liquide auxiliaire, on peut par exemple choisir de l'huile. Le fonctionnement de ce dispositif et donc le procédé objet de cette invention apparaissent très clairement. Lorsque la température du liquide caloporteur est trop élevée (c'està-dire lorsque la puissance du réacteur augmente) le liquide caloporteur primaire se dilate. La pression étant constante, il augmente donc de volume. Le niveau 20 du liquide auxiliaire remonte dans l'échangeur pour occuper par exemple la position 26 représentée en pointillés. Une partie du liquide auxiliaire est bien entendu chassée dans le réservoir auxiliaire 22 par l'intermédiaire du tube en U 24, et la limite de séparation entre le liquide auxiliaire et l'eau de mer environnante s'abaisse dans le réservoir 22 (niveau 26'). Le niveau de séparation du liquide caloporteur et du liquide auxiliaire s'élevant (26), la section de passage entre la chicane 14 et ce niveau 26 augmente (hauteur h). Le débit du liquide caloporteur dans le circuit primaire augmente donc. En outre, la surface d'échange entre le liquide primaire et le liquide secondaire véhiculé dans les tubes 16 augmente également. Ces deux effets ont pour résultat d'augmenter les échanges calorifiques entre le liquide primaire et le liquide secondaire, ce qui entraine un abaissement de la température dudit liquide primaire. Dans le cas contraire de l'abaissement de la puissance du réacteur, la diminution de température du liquide caloporteur primaire provoque une contraction dudit liquide et le niveau de séparation entre le liquide primaire et le liquide auxiliaire descend par rapport à sa position de fonctionnement normal pour atteindre le niveau 28. On a bien entendu, un écoulement du liquide auxiliaire du réservoir 22 vers l'échangeur 10, et donc une remontée du niveau de séparation entre le liquide auxiliaire et l'eau de mer environnante (26"). Compte tenu de l'abaissement du niveau 28 de séparation entre le liquide primaire et le liquide auxiliaire, la section de passage entre ce niveau 28 et la chicane 14 diminue pour représenter la hauteur h'.On a ainsi une diminution de la section de passage du fluide primaire et donc une diminution de son débit dans le circuit primaire, accompagnée d'une diminution de la surface d'échange entre le liquide primaire et le liquide secondaire. Ces deux effets ont pour conséquence de diminuer l'échange calorifique entre les liquides primaire et secondaire. On a ainsi une élévation de la température du liquide primaire. Sous l'action de cette augmentation de température, le liquide primaire tend à augmenter de volume et le niveau de séparation 28 tend à retrouver sa position de fonctionnement normal 20. On a donc ainsi réalisé un système de régulation automatique de la température du liquide primaire, puisque quelle que soit la situation de départ on tend vers la position d'équilibre 20. Un autre avantage de ce dispositif réside dans la libre dilatation du fluide caloporteur du réacteur. Cela permet de résoudre de façon simple le problème de la pression dudit liquide primaire au sein de l'enceinte du réacteur. On peut régler la quantité de liquide auxiliaire et de liquide primaire pour qu'en dessous d'une certaine puissance, c'est-à-dire en-dessous d'une certaine température du liquide caloporteur primaire, le circuit primaire soit entièrement bloqué, c'est-à- dire que le niveau de séparation entre le fluide auxiliaire et le fluide caloporteur primaire soit en-dessous de la chicane 14. Sur la figure on a représenté une seule chicane horizontale 14. I1 va-de soi que dans d'autres modes de réalisation, pour favoriser l'échange entre le circuit primaire et le circuit secondaire de refroidissement, on peut avoir plusieurs chicanes horizontales 14. Le dispositif et le procédé restent valables puisqu'il suffit, pour retrouver le fonctionnement, de considérer la chicane 14 la plus proche du sommet de l'échangeur 10. Dans l'exemple représenté sur la figure, les chicanes 14 sont par exemple des couronnes planes horizontales. Dans ce cas, la section de passage du liquide caloporteur primaire entre ladite chicane et le niveau de séparation du liquide primaire et du liquide auxiliaire est une fonction linéaire de la hauteur h. Pour agir au mieux sur la loi de débit en fonction de la puissance du réacteur et donc de la température du fluide primaire caloporteur, on peut donner à la section de passage une forme aussi complexe que l'on souhaite. En particulier, on peut rechercher des profils ne donnant pas une relation linéaire entre la hauteur h et la section de passage. Dans la description précédente, on a envisagé l'application du procédé et du dispositif à un réacteur nucléaire sous-marin. Cette application est particulièrement intéressante puisqu'on dispose d'un moyen très simple de maintenir l'enceinte du réacteur à une pression constante. On peut toutefois très bien utiliser ce procédé et ce dispositif pour un réacteur qui ne serait pas sous-marin. Pour cela, il suffit par exemple de placer à l'extrémité inférieure du réservoir auxiliaire 22 un piston dont les déplacements seraient commandés par un moteur de telle façon que la pression à l'intérieur de l'enceinte du réacteur et du réservoir auxiliaire soit maintenue à une valeur constante. Le moteur peut alors être régulé par des capteurs de pression placés à l'intérieur de l'enceinte. REVENDICATIONS 10) Procédé de régulation de la température du liquide primaire d'un échangeur thermique, caractérisé en ce que dans l'enceinte de l'échangeur, maintenue à une pression sensiblement constante, on introduit à chaque instant un liquide auxiliaire non miscible avec le liquide primaire, de densité inférieure à celui-ci, en quantité telle que l'enceinte soit à chaque instant remplie par le liquide primaire et le liquide auxiliaire, les surfaces d'échange avec lé fluide secondaire, et le trajet du liquide primaire dans 1 'échangeur étant tels que les déplacements verticaux du niveau du liquide auxiliaire provoquent une augmentation de la surface d'échange et du débit du liquide primaire, alors que les déplacements vers le bas du niveau dudit liquide provoquent une diminution de la surface d'échange et du débit du liquide primaire. 20) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte de l'échangeur comporte à sa partie supérieure une canalisation en forme de U dont les branches sont tournées vers le bas, la branche non raccordée à l'échangeur débouchant à l'extrémité supérieure d'un réservoir auxiliaire dont l'autre extrémité est mise en liaison avec des moyens pour maintenir l'ensemble constitué par l'échangeur et l'enceinte auxiliaire à une pression sensiblement constante. 30) Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le liquide auxiliaire est une huile de densité inférieure à celle du liquide primaire. 40) Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 et 3 à l'échangeur d'un réacteur sousmarin, caractérisée en ce que l'échangeur est constitué par une enceinte contenant le liquide primaire traversée par des conduites verticales véhiculant l'eau de mer et des chicanes horizontales pour le fluide primaire et en ce que les moyens pour maintenir la pression sensiblement constante sont constitués par un orifice ménagé à la partie inférieure du réservoir auxiliaire, mettant ainsi en liaison le liquide auxiliaire non miscible avec l'eau de mer et l'eau de mer.