Brevet FR2177525A1 — publié le 19731109

La présente invention concerne ils perfectionnements aux convertisseurs d'énergie calorifique en énergie électrique et a trait plus particulièrement à un nouveau mode de réalisation de tels convertisseurs fournissant de fortes puissances électriques gracie à une combinaison de plusieurs convertisseurs élémentaires. Les convertisseurs d'énergie thermique en énergie électrique, bien connus maintenant, comportent, dans leur forme la plus simple, une paire d'électrodes, à savoir un énetteur.et un collecteur, électriquement isolées l'une de l'autre et disposées dans une enceinte étanche. Aucune tension de source extérieure n'est appliquée entre ces deux électrodes ; lorsque l'émetteur est chauffé, au moyen d'une source de chaleur qui, dans le type de convertisseurs concernés par l'invention, est une source à combustible nucléaire, il énet des électrons qui sont captés par le collecteur. I1 apparat alors, entre l'émetteur et le collecteur, une tension électrique pouvant être appliquée à une charge conve noblement adaptée, fournissant ainsi une énergie électrique. I1 est également bien connu maintenant de faire fonctionner ces convertisseurs cn présence d'une atciospère intérieure faite d'un gaz ou d'une vapeur ionisable, telle que la vapeur de césium par exemple. Cette vapeur de césiun augnente considérable- Lent l'énergie disponible à la sortie des convertisseurs en abaissant le travail de sortie des électrons de l'émetteur et du collecteur d'une part, et d'autre part, en neutralisant la charge d'espace entre les électrodes, grtce à son état ionisé. De tels convertisseurs sont maintenant relativement bien au point. Toutefois, des problèmes délicats apparaissent lorsque l'on désire multiplier l'énergie électrique disponible à la sortie de ces convertisseurs, en utilisant par exemple plusieurs convertisseurs élémentaires montés en série, l'énergie électrique étant alors recueillie aux bornes de l'ensemble. En effet, la mise en série pure et simple de plusieurs convertisseurs, par ailleurs totalement indépendants, pose des problèmes d'encombrement et de multiplication des difficultés, telles que par exemple : circulation du césian, évacuation des produits de fission de la combustion nucléaire, refroidissement des collecteurs, réalisation de l'étanchéité de chaque convertisseur, connexion de.leurs électrodes pour réaliser la mise en série, etc Des convertisseurs à plusieurs éléments en série dans une même chemise permettant un refroidissement commun des collecteurs ont déjà été réalisés, présentant un certain progrès par rapport à la mise en série pure et simple d'éléments indépendants.D'autres dispositions, telles que par exemple celle décrite par la Compagnie Générale de Télégraphie sans Fil, dans son brevet français 1 394 782 déposé le 7 janvier 1964, permettent des réali.- sations plus compactes au niveau des convertisseurs eux-mmes. Ces dispositions, et notamment celle qui vient d'être citée, présentent généralement des structures compliquées et encombrantes qui ne suppriment pas complètement les inconvénients précités. l'objet de l'invention est de réaliser des convertisseurs délivrant de fortes puissances électriques grace à la mise en série de plusieurs convertisseurs élémentaires, et ne présentant pas les inconvénients précités. Les convertisseurs de l'invention sont simples à réaliser, leur montage en série ne nécessitant ni céramiques d'isolement, ni brasures entre les différents éléments les problèmes de circulation du césium et de pompage des produits de fission sont réduits à leur plus simple expression, ltensemble de ces deux opérations étant commun à tous les éléments les problème de connexion entre éléments ne se posent plus. D'autres objets, avantages et résultats des convertisseurs de ltinvention r-essortiront de la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et illustrée par les figures annexées qui représentent : - la figure 1 (assemblage des partiesa et b), une vue en coupe d'un convertisseur selon l'invention à trois éléments en série, - les figures 2, 3 et 4, différentes pièces constitutives d'un convertisseur selon l'invention, étant entendu que de mimes pièces sont repérées sur les différentes figures par les mimes références numériques. -- les figures 5 et 6 des vues schématiquee agrandies de détails de certaines pièces. Comme il a déjà dté précisé, les éléments conuertisseurs constitutifs des convertisseurs selci l'invention ne sont pas nouveaux dans leur conception générale. Ils consistent principalement en deux électrodes cylindriques coaxiales. le cylindre intérieur constitue l'émetteur (électrode positive ou cathode) et est chauffé par un barreau de combustible nucléaire (matériau fissile) placé à l'intérieur de ce cylindre, tandis que le cylindre extérieur constitue le collecteur (électrode négative ou anode) ; de la vapeur de césium circule entre les deux cylindres. Mais là s'arrête la similitude avec les convertisseurs de l'art antérieur. En effet, ces différents éleuients présentent des structures particulières et sont assemblés d'une manière nouvelle qui va maintenant être décrite. Le convertisseur de la figure 1, donné à titre d'exemple, comporte trois éléments convertisseurs en série t, 2 et 2. Pour obtenir un convertisseur comportant plus de trois éléments, il suffit de multiplier le nombre d'éléments tels que 2 entre les éléments 1 et 2 qui eux, constituant les deux extrémités de l'ensemble, sont un peu particuliers. Les pièces principales de chaque élément sont les électrodes, émetteur E et collecteur C. Pour permettre la réalisation simple de l'invention, émetteur E dlun élément (élément 1 par exemple) est en contact mécanique et électrique avec le collecteur C de l'élément suivant (élément 2 dans cet exemple). Pour faciliter le montage du tube, notamment supprimer des problèmes d'étanchéité, et améliorer le contact électrique, l'émetteur et le collecteur ainsi en série sont constitués par une seule et même pièce représentée en ooupe sur la figure 3. Cette pièce métallique comporte une partie cylindrique 4 creuse constituant l'émetteur dtun élément dans lequel vient se loger le barreau de combustible nucléaire 6 représenté, sur la figure 3, partiellement enfoncé dans son logement 4. Cette partie 4 est prolongée par une deuxième partie cylindrique 5, également creuse.dont le diamètre interne est légèrement supérieur .et au diamètre externe de la partie 4,/qui constitue le collecteur de l'élément suivant. L'étanchéité entre les logements intérieurs des cylindres 4 et 5 est assurée par une paroi 7 faisant partie intégrante de la pièce constituée par les cylindres 4 et 5 et les séparant. Lors du montage du tube, la partie 4 d'une pièce telle que celle représentée figure 3, munie de son barreau de combustible 6, vient se loger dans la partie 5 d'une deuxième pièce semblable, comme représenté figure 1 (élément 2). L'espace compris entre les deux surfaces cylindriques ainsi en vis-à-vis constitue l'espace inter-électrodes de l'élément dont 4 est l'émetteur (chauffé par le barreau 6) et dont 5 est le collecteur. Pour des questions dtétanchéité de l'ensemble des espaces interélectrodes vis-à-vis de la vapeur de césium dont le système de circulation est décrit ci-après, il est nécessaire que la partie 5 d'un élément, 2 par exemple, se prolonge au delà de la partie 4 de l'élément suivant, q dans cet exemple, et recouvre en partie, de manière étanche, gracie à son prolongement 8 cette partie 5 de l'élément 3 qui comporte à cet effet un évidement 10. Bien entendu, il ne faut pas pour autant que ces deux pièces soient en contact électrique. Pour cela, l'extérieur de la partie cylindrique 5 est revêtue d'un mince dépit isolant représenté sur les figures 1 et 3 par le trait épais 9, par exemple par pyrolyse ou par "shoopage" et convenablement rectifiée après ce dépôt. Lors de l'asseablage d'un convertisseur tel que celui de la figure 1, l'ensemble des éléments 1, 2 et 2 est introduit dans un tube étanche Il. Ce tube est en métal,molybdène ou niobium par exemple, de manière à permettre le refroidissement de ltensemble par des moyens classiques tels que le refroidissement à travers une lame de gaz à conductibilité thermique variable (hélium par exemple) par une chemise d'eau. L'extrémité 12 de ce tube 11 constitue une des bornes du convertisseur, ici la borne négative (anode collectrice d'électrons). Dans ce tube 11 est positionnée une pièce cylindricue creuse 13, représentée sur la figure 2 incomplètement enfoncée dans le tube 11, qui constitue le collecteur de ltélé.ent 1, et qui est équivalente aux parties 5 des pièces telles que celle représentée figure 3. A l'intérieur de cette pièce 13 est alors placé un ensemble 4, 5, 6 tel que celui de la figure 3, la partie inférieure de la pièce 4 étant fixée sur la base 14 du barreau 6.Dans certains cas, et notamment lorsqu chaque.élément tel que l, 2 et 2, est relativement long, il est souhaitable de maintenir la base des pièces 4 par un dispositif centreur 15 placé à la base des collecteurs et maintenu par exemple par une goupille 16 fixée audit collecteur par bombardevent électronique. Ces dispositifs centreurs sont par exemple constitués de couronnes de céramiques supportant un disque de centrage 17 dont la partie centrale est découpée de manière à maintenir par trois points disposés à 1200 la base 14 des barreaux 6, les émetteurs restant ainsi convenablement centrés par rapport aux collecteurs qui les entourent. On place ainsi, les uns dans les autres, autant d'ensembles 4, 5, 6 que l'on désire avoir d'élezents convertisseurs en série. L'émetteur du dernier élément, 2 sur la figure 1, ne comporte bien entendu pas de prolongement ; il est constitué d'une pièce 18, représentée figure 4, comportant seulement la partie cylindrique équivalente aux parties 4 des pièces de la figure 3 chargée par un barreau de combustible tel que le barreau 6 de la figure 2. Cet émetteur qui constitue la borne positive (cathode émettrice d'électrons)du convertisseur ost Jar exemple prolonge par une pièce telle que 19 servant de connexion. le tube étanche il est fermé par une partie 20 qui lui est fixé par un scellement étanche 21 une fois que le convertisseur est complétement monté. Cette couronne 20 est fixée à la pièce 19 servant de connexion de cathode par un organe élastique 22 compensant los différences de dilua en :-trc les électrodes du convertisseur ( émetteurs fortement chauffés notcent) et le tube refroidi 11. Il est à noter que pour permettre ces dilatations des émetteurs, les pièces 4 et leurs bases 14 sont suffisamment éloignées de la paroi 7 séparant les pièces 4 et 5 (voir figure 1). La structure et la disposition des différents éléments convertisseurs qui vient d'entre décrite permet de réaliser très facilement dtune part, un circuit de circulation de vapeur de cés-un dans les espaces inter-électrodes ct d'autre part un circuit de pompage des produits de fission résultant des réactions nucléaires productricas de chaleur des barreaux 6. En effet, il est aisé de mettre en communication les espaces inter-électrodes des différents éléments convertisseurs 1, 2 et > au moyen de trous 23 pratiqués en biais dans les parois 7 séparant les parties 4 et 5 des pièces formant les électrodes ; ces trous mettent en corlrlunication l'intérieur de la partie 5 et l'extérieur de la partie 4 qui constitue l'intérieur de la partie 5 voisine dans l'assemblage de la figure 1. il suffit alors de prévoir un canal traversant le eorxzet de la pièce 18 (figures 1 et 4), se prolongeant dans la connexion de cathode 19 (figure 1) et connecté en 25 à un réservoir de césium non représenté. L'étanchéité du circuit de circulation de césium par rapport à l'intérieur du tube Il est convenablenent assurée lors de l'empilage des éléments dans ce tube, l'éventuelle ligne de fuite du césium vers le tube étant suffisamment longue pour éviter de telles fuites (voir en particulier la figure 5 où les deux pièces sont représentées incomplètement enfoncées l'une dans l'autre). Cette étanchéité peut cncore, si nécessaire, entre renforcée. il suffit, lors du montage, d'utiliser des procédés tels que la therrloeonpression. ou le pressage isostatique, pour que le dépit isolant 9, présent entre les parties 8 et 10 en contact, serve de joint étanche. Quant aux produits de fission, apparaissant à l'intérieur des émetteurs (pièces 4 ct pièce 18) ils sont recueillis par un canal 26 pratiqué dans la paroi des collecteurs, s'ouvrant dans les émetteurs par des trous 17 et 28 (figures 1, 3, 4 et 5) et se prolongeant en 29 à travers la connexion de cathode d'où ils sont alors pompés par un organe non représenté ici. l'étanchéité du raccord des canaux 26 de deux éléments consécutifs, 2 et 3 par exemple (figure 5), est par exemple assurée au noyen d'un joint constitué d'un métal à faible tension de vapeur, tel que dé l'indium. Plusieurs solutions sont possibles pour réaliser un tel joint. Une solution simple peut consister à placer entre les deux pièces à empiler, en 50 sur la figure -5, un fil d'indium qui fondra aux températures de fonctionnement du convertisseur, réalisant, selon des techniques connues, le joint nécessaire entre les canaux 26 des doux pièces empilées. Une autre solution, illustrée figure 6, consistc à prédisposer dans le canal 26 d'une des deux pièces un petit tube d'indiun 60 sur lequel viendra s'enfiler le canal 25 de l'autre pièce. le joint étanche sera convenablenent formé lorsque la température de fonctionnenent du convertisseur sera atteinte. Quant au positionnement convenable des deux pièces à empiler, c'est-à-dire permettant aux deux canaux 26 d'entre l'un en face de l'autre, il est par exemple facilité par un ergot de positionnenent 51. Un certain nonbre de précautions sont prises pour éviter, dans toute la nesure du possible, que la chaleur des émetteurs ne se propage vers les collecteurs qui doivent rester suffisamment froids pour que la conversion d'énergie thernique en énergie électrique se fasse. Des ecrans thermiques 30 sont nontés sur les barreaux de com- bustible 6 au sommet des espaces inter-électrodes > d'autres écrans thermiques sont nontés à la base de ces espaces, sur le dispositif centreur par exemple lorsqu'il y en a un, écrans 31 sur la figure 1. De plus les liaisons matérielles 32 entre les parties émetteur 4 et collecteur 5 sont prévues pour avoir une forte résistance thermique ; pour cela l'épaisseur des cylindres 32 formant ces liaisons est réduite. Des variantes de réalisation de ces convertisseurs sont facilement envisageables, concernant bien entendu le nombre et les dimensions des différents éléments en série, riais également concernant d'autres paramètres ou détails de réalisation. il est par exemple possible de remplacer la vapeur de césiun circulant dans les espaces inter-électrodes grtce à un réservoir alimentant les canaux précédemment décrits par la solution décrite par la Demanderesse dans le demande de brevet français 69:37447 déposée le 7 novenbrc 1969 et intitulée "Convertisseur thernoionique perfectionné". Un ou plusieurs des éléments 1, 2 et 3 comporte alors, à la base des cylindres creux 5 (ou 13) constituant les collecteurs un bloc dc matériau réfractaire (graphite pyrolytique par exemple) dans lequel est e Digasiné le césium qui est libéré sous fornc de vapeur lorsqu'il est chauffé. Si un seul bloc est utilisé pour l'ensemble des éléments, il faut bien entendu que les pièces en deux parties comportent les trous 23. Si un bloc est utilisé pour chaque élément convertisseur ces trous 23 peuvent être supprinés. il serait encore possible dc ne pas pomper en permanence les produits de fission, mais de les laisser autour des barreaux do combustible dans l'espace hermétiquement ferté (les canaux et trous 26, 27, 28 ct 29 étant alors supprimés) que constituent les cylindres intérieurs des émetteurs. Cette variante ne présente pas un grand intérêt car, pour conserver une durée de vie raisonnable à de tels convertisseurs il faudrait allonger les parties 32 où seraient stockés les produits de fission, parties qui ne sont pas utiles pour la conversion d'énergie : il en résulterait un allongenent de la structure qui ferait en partie perdre le bénéfice des convertisseurs de l'invention. Toutefois, cette solution peut entre envisagée lorsque les problèmes d'encombrement ne sont pas importants elle facilite quelque peu la construction des électrodes et ne nécessite pas d'organe de pompage. Une autre variante du convertisseur de la figure 1 consiste à ne pas disposer l'ensemble des éléments dans un tube tel que-lc tube 11, mais à recouvrir leur paroi extérieure, après assemblage, d'un dépit pyrolytique étanche au vide et remplaçant ce tube. REVENDICAtIOIS 1. Convertisseur d'énergie thermique en énergie électrique comprenant plusieurs éléments convertisseurs en série comportant chacun deux électrodes cylindriques coaxiales, à savoir un émetteur chauffé par un barreau de combustible nucléaire situé dans ledit émetteur et un collecteur entourant ledit émetteur, un gaz ionisable emplissant l'espace inter-électrodes ainsi. défini pour chaque élément, caractérisé en ce que lesdits éléments convertisseurs sont disposés le long d'un mveme axe dans une même enveloppe cylindrique étanche dont les deux extrémités constituent les deux bornes, anode et cathode, du convertisseur, en ce que l'émetteur d'un cément et le collecteur de l'élément suivant sont constitués par une même pièce métallique comprenant une première partie (S-) formée d'un cylindre creux dans lequel est fixé un barreau de combustible nucléaire (6) et une deuxième partie (5) prolongeant la première, formée d'un cylindre creux dont le diamètre intérieur est légèrement supérieur au diamètre extérieur de ladite première partie (4), los deux espaces ainsi délimités à l'intérieur de ces deux parties cylindriques étant étanches l'un vis-à-vis de l'autre, et en ce que lesdites pièces métalliques en deux parties sont empilées le long dudit axe, une première partie (4) d'une pièce étant disposée dans une deuxième partie d'une autre pièce, de manière à constituer un élément convertisseur. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux éléments situés respectivement aux deux extrémités du convertisseur comportent, pour l'élément situe' à l'extrémité constituant ladite borne d'anode, un collecteur formé par une pièce métallique analogue auxdites deuxièmes parties (5) desdites pièces en deux parties, et pour l'élément situé à llextré- mité constituant ladite borne de cathode, un émetteur formé par une pièce métallique analogue auxdites premières parties (4) desdites pièces en deux parties. 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les espaces, situés à l'intérieur dos émetteurs, dans lesquels apparaissent les produits de fission dégagés par la combustion du combustible nucléaire des barreaux de combustible (6) sont tous reunis à un canal de pompage desdits produits pratiqué dans la paroi desditcs deuxièmes parties (5) desdites pièces en deux parties, ce canal étant étanche vis-à-vis des espaces interélectrodes des elérlents convertisseurs, et étant réuni, à l'extérieur de l'enveloppe étanche enfermant ces éléments, à un organe do pompage desdits produits de fission. 4. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit gaz ionisable emplissant les espaces inter-électrodes est de la vapeur de césium. 5. Convertisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que les espaces intor-électrodes desdits éléments convertisseurs sont tous mis en communication et sont réunis à un canal d'amenée de vapeur de césium, le circuit de vapeur ainsi constitué étant étanche vis-à-vis des espaces situés à l'intérieur des émetteurs. 6. Convertisseur selon le revendication 4, caractérisé en ce quc les espaces inter-électrodes desdits éléments convertisseurs sont alimentés en vapeur dc césium au moyen de blocs de matériau réfractairo dans lesquels est préalablement emmagasiné du césium, lesdits blocs étant disposés dans les espaces situés à l'intérieur des collecteurs.