Brevet FR2247693A1 — publié le 19750509

La présente invention concerne une surface préparée thermiquement active et mouillée par un métal liquide, en particulier des tubes de réacteurs nucléaires refroidis par le sodium liquide. Il est connu que le sodium a, lorsqu'on le chauffe à sa température d'ébullition, une forte tendance au retard à l'ébullition, comme tous les métaux alcalins On a observé des surchauffes de 8000C leur moyenne étant voisine de 2000C. Cela a principalement pour origine les bonnes caractéristiques de mouillage par ces métaux, en particulier.aux températures élevées, et leur grande tension superficielle. Le retard à l'ébullition fait courir de graves dangers car, au début - qui n'est plus contr81able - de l'ébullition, l'énergie thermique accumulée est libérée brutalement et une nouvelle quantité de sodium est vaporisée. Lors de ce phénomène, le volume de la vapeur produite est égal à près de 2000 fois le volume du sodium liquide vaporisé. Cela a pour conséquence que, dans un réacteur nucléaire, le liquide caloporteur est chassé toue au moins de quelques canaux chauds et que les surfaces chaudes sont "brOlées" (burn-out). Outre de gros dégâts au coeur du réacteur et une diminution de la stabilité de celui ci, il peut méme se produire une explosion dans le circuit de refroidissement. Par conséquent, il est très important d'empocher ou - tout au moins - de réduire dans la mesure du possible le retard à l'ébullition dans les installations à refroidissement par métaux alcalins chauds. Ce problème peut être résolu en principe par l'introduction dans b métal fondu de germes d'ébullition, par exemple de chapelets de bulles gazeuses ou par l'établissement, dans la région des surfaces chaudes ou à proximité de celle-ci, de conditions favorisant la production de germes d'ébullition, par exemple la création de pores ou de cavités. Les mesures citées en dernier engendrent une rugosité 3ppropride des surfaces chaudes du caté en contact avec le fluide caloporteur. L'expérience a montre que les méthodes suementionnées de prévention du retard à l'ébullition sont trop conteuses ou, pour leur application sur une grande échelle, trop compliquées et peu sures. Les cavités artificielles qui ont un volume suffisant pour pouvoir provoquer un abaissement appréciable de la surchauffe initiale n'ont aucune action à cause de leur très bon mouillage par le métal liquide. L'invention indique une solution gracie à laquelle ce problème peut outre résolu de manière simple et sarepour les surfaces thermiquement actives et mouillées. Elle consiste à préparer, sur sa face mouillée, une surface de tile manière qu'elle comporte dans chaque section transversale au moins une zone qui possède une surface préalablement traitée chimiquement, en particulier par nitruration ou phosphuration. Dans un mode d'exécution, la partie mouillée de la surface est soumise, tout au moins en partie, à un traitement chimique préalable et possède au moins une surface modifiée par nitruration ou phosphuration.Dans un autre mode d'exécution, la zone prétraitée chimiquement est formée sur la surface.d'au moins un corps filiforme qui est mis en place, en lui donnant une forme ondulée ou hélicotdale sur la face mouillée,et et qui est en contact avec toutes les sections transversales de la face mouillée. La nitruration des surfaces métalliques, bien connue des spécialistes (durcissement superficiel ou réalisation de surfaces de frottement résistant à l'usure) a, par conséquent, fait la preuve - chose étonnante - qu'elle constitue une mesure efficace pour (abaisser la tension superficielle et) réduire le mouillage par les métaux fondus. L'utilité de cette mesure est mise en évidence par les oscillogrammes reproduits au dessin annexé, parmi lesquels l'oscillogramme de la figure 1 représente le phénomène de retard à l'ébullition sur un tronçon d'essai à surfaces non prétraitées, cependant que ltoscillogramme de la figure 2 représente l'ébullition sans retard du sodium dans un tronçon d'essai nitruré. On a porté en abscisses l'instant de la mesure et en ordonnées la température de surchauffe. Sur le tronçon d'essai, la face intérieure du tube était nitrurée là où le canal chaud du réacteur était simulé. Cependant, dans le coeur du réacteur, les surfaces des tubes-enveloppes du combustible nucléaire doivent etre nitrurées extérieurement5 car ces surfaces sont en contact avec le métal liquide et sont chauffées de l'intérieur par le combustible nucléaire, Lorsqu'on utilise les tubes préparés selon l'invention dans des échangeurs de chaleur c'est, suivant le mode d'introduction, l'une ou l'autre des surfaces qui doit 8tre traitée. La nitruration peut entre réalisée d'une maniere très simple par les techniques connues de décomposition des composés gazeux ou des sels contenant de l'azote. Lors de la nitruration par le gaz ammoniac (NH3), on peut procéder comme suit : on dissout par décapage (d'une durée d'environ 10 mn à 20 C) par l'eau régale la couche d'oxyde dure comme du verre, solide et fortement adhérente sur la face intérieure des tubes (en acier au chrome-nickel). Ensuite, on lave ces tubes à l'eau courante et on enterre mécaniquement la couche en question. On fait ensuite passer pendant environ 2 h un courant de gaz ammoniac dans les tubes ; on chauffe en même temps ces tubes à 5800C environ. La stabilité de la couche obtenue par nitruration est bonne. Comme on l'a indiqué, on peut préparer les surfaces non seulement par nitruration, mais aussi par phosphuration.On suppose que, pour déterminer la nature de l'agent de préparation à utiliser, c'est la position relative de cet agent par rapport au métal liquide-dans la série des potentiels électrochimiques qui compte. Dans le cas de surfaces thermiquement actives nitrurées en totalité, le retard à l'ébullition du sodium est complètement supprimé. Toutefois, la présence de quelques tlotsou zones nitrurés isolés sur les surfaces mouillées est suffisante. Il est,en fait, suffisant pour l'obtention de l'effet décrit de prévoir dans chaque section transversale d'un tube d'échangeur de chaleur ou d'une barre de combustible des zones ayant subi un traitement superficiel d'aire relativement petite. I1 suffit, de même, de mettre en place sur la face mouillée un fil d'espacement de forme hélicoidale ou ondulée traité chimiquement. Des essais ont montré qu'on peut obtenir des valeurs particulièrement favorables pour la conductibilité thermique des couches superficielles traitées chimiquement si l'on nitrure un acier inoxydable contenant du titane ou de l'aluminium. Il va de soi que la description n'est pas limitative, et l'homme de l'art pourra y apporter des modifications sans sortir pour cela du domaine de l'invention. REVENDICATIONS 1. Surface traitée thermiquement active et moulée par un liquide, en particulier dans les réacteurs nucléaires avec refroidissement par le sodium ; cette surface est caractérisée par le fait qutelle est préparée, sur sa face mouillée, de telle manière qu'elle comporte dans chaque section transversale une zone qui comprend une surface prétraitée chimiquement, en particulier par nitruration ou phosphuration. 2. Surface selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la face mouillée de cette surface est prétraitée, tout au moins en partie, chimiquement et comprend en particulier une surface modifiée par nitruration ou phosphuration. 3. Surface selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la zone prétraitée chimiquement est produite sur la surface d'au moins un corps filiforme, en particulier de forme ondulée ou hélicotdale, qui est mis en place sur la face mouillée et est en contact avec toutes les sections transversales de cette face mouillée. 4. Surface selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la surface ou le corps filiforme est en un acier inoxydable contenant au moins une très faible proportion de titane allié. 5. Surface selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que la surface ou le corps filiforme est en un acier inoxydable contenant au moins une très faible proportion d'aluminium labié.