Brevet FR2208701A1 — publié le 19740628

Les filtres ou capteurs de vapeurs de métal liquide sont nécessaires à l'industrie nucléaire pour effectuer la séparation entre les vapeurs d'un métal liquide de refroidis- sement et un courant de gaz inerte et pour empêcher ainsi le métal d'etre entrainé avec le gaz, notamment dans le cas d'un métal liquide, par exemple du sodium de refroidissement des ré acteurs surrégénérateurs rapides. L'invention concerne notamment un capteur de vapeurs de sodium constituées de compo ses en particules formant une pulvérisation ou un aérosol. Il existe un certain nombre de capteurs antérieurs destinés à ltélimination des particules de sodium et d'autres métaux liquides d'un gaz effluent. Ces dispositifs ont généralement pour principe de base l'adhérence des particules sur une barrière physique d'un certaine type. Un type classique de capteur de vapeurs comprend un filtre de fils métalliques tissés et, notamment,im treillis de fils métalliques tissés ou enroulés en spirale, disposé dans une conduite de vapeur. Les couches du treillis em 8chent le sodium entratné par un gaz inerte de passer. Ce type de capteur est très peu efficace, car il ne retient pas tout le sodium du gaz effluent et, de plus, son filtre s'obture aisément. Un autre type de capteur comprend plusieurs enceintes empilées parallèlement les unes aux autres dans un récipient et comportant plusieurs ouvertures. Ces dernières ne sont pas alignées les unes sur les autres pour faire suivre une trajectoire sinueuse aux particules de sodium. Ce dernier, en tratné par les gaz effluents, adhère aux parois des enceintes et s'élimine donc des gaz.Cependant, l'efficacité de ce capteur est très faible, car il ne retient pas tout le sodium des gaz effluents et, de plus, il s'obture très aisément. Un autre type de capteur comprend un tube enroulé en hélice sur une certaine longueur et dans lequel passe la vapeur de sodium. Le métal tend à adhérer à la paroi du tube. Ce type de capteur présente les mêmes inconvénients que les précédents. Un autre type de capteur de vapeurs comprend un récipient contenant plusieurs anneaux de Raschig. Le sodium des gaz effluents adhère aux surfaces extérieure et intérieure de ces anneaux et se sépare ainsi des gaz effluents. Cependant, les récipients contenant les anneaux ne retiennent pas tout le sodium des gaz effluents émanant du bain voisin de sodium en fusion et, de plus, en cas d'une mauvaise répartition de température dans le récipient, ce dernier peut s'obturer aisément. Les quatre dispositifs mentionnés ci-dessus peuvent être qualifiés "dispositifs à action en profondeur", car leur fonctionnement dépend de la condensation des particules lorsque ces dernières traversent successivement les différentes couches de filtration. Cependant, l'élimination des particules de sodium s'effectue efficacement par un procédé "de surface". Un capteur mettant en oeuvre ce dernier comprend plusieurs disques frittés et poreux, empilés dans une conduite de vapeur de sodium pour retenir, à leur surface, les particules de sodium en suspension dans les gaz effluents. Ce type de capteur retient théoriquement 100 # des particules de sodium entrainées par les gaz effluents. Ces particules s'accumulent à la surface des disques pour former une croûte gélifiée de sodium.Lorsque son épaisseur augmente, cette croûte steffondre et s'accumule sur les disques frittés. Elle obture ainsi théoriquement tous les pores de ces disques et empêche le gaz de passer. L'invention concerne un capteur qui retient la totalité des vapeurs de sodium entralnées par un gaz effluent et qui comporte un dispositif ltempêchant de s'obturer. Le capteur selon l'invention comprend un filtre en matière frittée et poreuse et un dispositif de chauffage de cette matière de manière que le sodium reste liquide et qu'il forme des gouttelettes retombant à la base du capteur, dans un emplacement ne lui permettant pas de revenir dans le bain de sodium liquide communiquant avec ce capteur. Toutes les particules de sodium sont séparées des gaz effluents et ce dernier, une fois épuré, s'écoule du capteur pour être, par exemple, remis en circulation. Dans une installation nucléaire du type utilisant le so dium liquide comme agent de refroidissement, le passageA'un gaz inerte, par exemple l'argon, au-dessus du bain de sodium provoque l'évaporation de ce dernier et son dépôt sur des élé ments tels que les conduites d'alimentation en gaz. Lorsque ce dernier se r#efroidit, le sodium déposé obture rapidement ces conduites. Le capteur de vapeurs est destiné à provoquer le départ de sodium pour permettre à l'installation de fonction ner longtemps sans incidents. En d'autres termes, les capteurs de vapeursde sodium empêchent ce dernier d'être entralné par le gaz inerte et d'obturer les conduits empruntés par ce der nier.Le gaz effluent et les particules qu'il entraîne pas sent dans des filtres de métal poreux constitués de disques évidés et empilés. Les résultats montrent qu'une très faible condensation ou qu'aucune condensation ne se produit dans le milieu de filtration, mais plut8t sur les surfaces des disques empilés. Après une période initiale de mise en marche, aucune vapeur ou particule de sodium ne peut être décelée en aval du filtre ou capteur. Cependant, si ce dernier est maintenu à une température inférieure b celle du point de fusion du sodium, ce dernier obture rapidement la surface des disques frittés. La mise en place d'une source de chaleur, notanment d'une chemise chauffée électriquement, autour du récipient contenant les disques empilés, maintient la température régnant dans ce récipient à une valeur comprise entre 110 et 120oC environ et provoque une forte augmentation du pouvoir de retenue du sodium. En maintenant les disques frittés et empilés à une températùre supérieure à celle du point de fu sion du sodium, ce dernier, entraîné par les gaz inertes et effluents, fond sur la surface chauffée de ces disques, forme de petites gouttes qui tendent àtombçr des disques vers le fond du capteur et qui, finalement, le cas échéant, peuvent être renvoyées dans le bain de sodium communiquant avec ce capteur.Une inclinaison de la surface des disques facilite la chute des gouttelettes. Ces dernières empêchent le filtre de s'obturer et laissent donc certains pores ouverts dans lesquels le gaz inerte circule pour être purifié. Ce gaz peut donc travcrser le filtre et revenir dans le circuit. Lorsque le filtre à sodium et, notamment les disques,sont portés à une température supérieure à celle du point de fusion du sodium entrainé par les gaz effluents, ce sodium ne s'accumule pas à la surface des disques, comme c'est le cas pour les capteurs à filtres frittés et travaillant à froid. L'appareil selon l'invention permet également l'élimination de particules d'autres métaux liquides entrairées par un gaz effluent. L'avantage de l'appareil selon l'invention sur les dispositifs antérieurs provient donc de- son aptitude à retenir la totalité du sodium entraîné par un gaz inerte tout en laissant passer relativement librement ce dernier. L'efficacité de l'appareil selon l'invention pour éliminer le sodium des gaz effluents est très grande. Cet appareil présente des surfaces chauffées sur lesquelles les particules de sodium entrent en contact et fondent pour former des gouttelettes. Le sodium liquide ainsi obtenu peut être envoyé, le cas échéant, dans le bain de sodium fondu duquel il provient. La durée de vie, sans obturation, des disques chauffés de métal fritté est très supérieure à celle des disques antérieurs et, par conséquent, il n'est pas nécessaire de remplacer le dispositif de filtration selon l'invention aussi souvent que les dispositifs antérieurs. Un autre avantage du capteur selon l'invention est qu'il peut être beaucoup plus petit que les capteurs fonctionnant à froid qui, pour assurer les mêmes opérations, oc cupent une grande surface de filtration. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel : la figure 1 est une coupe schématique d'un dispositif utilisant du sodium liquide et dans lequel le capteur de vapeurs de sodium selon l'invention communique avec un bain principal de sodium en fusion la figure 2 est une coupe transversale et schématique d'ure capteur à filtre fritté, selon l'art antérieur,fonction nant à froid et sur la surface duquei des particules de sodium commencent à s'accumuler ;; la figure 3 est une coupe transversale et schématique d'un disque en métal fritté ,selon l'art antérieur, fonc- tionnant à froid, et à la surfaceduquel une croate de sodium 'est déposée et, obture les pores ; et la figure 4 est une coupe transversale et schématique d'un disque fritté et chauffé du capteur selon l'invention. La figure 1 représente un capteur 10 de vapeurs de sodium comprenant un bâti 12 qui renferme, par exemple, une pile de plusieurs disques 14 en métal fritté et poreux, notamment en poudre d'acier inoxydable frittée suivant un procédé classique de métallurgie. Un conduit intérieur 18, fixé à la paroi supérieure 11 du bati 12, relie les disques 14. L'extrémité 20 de ce conduit 18 dépasse de la paroi supérieure du bati 12. Chacun des disques frittés 14 délimite une chambre 17 qui communique avec le conduit 18. La surface 15 de ces disques 14 comporte de nombreux pores 16 disposés au hasard. Ces derniers permettent au gaz de passer de la partie intérieure 19 du bâti 12 dans la chambre 17 des disques 14. Une chemise 22 est chauffée au moyen de résistances électriques et entoure totalement et étroitement la surface extérieure du bâti 12. Des conducteurs 24 du courant électrique relient la chemise 22 à une source d'alimentation en énergie. D'autres types d'éléments chauffants, par exemple un cable flexible, peuvent être mis en oeuvre dans le capteur 1-0. Ce capteur 10 communique avec une enceinte 30 contenant un bain de sodium et qui peut être, par exemple, le récipient contenant le noyau contaminant d'un réacteur surré- générateur nucléaire rapide à refroidissement par métal li quide. Le capteur 10 communique avec l'enceinte 30 par un conduit 40 d'alimentation en gaz inerte. Cette enceinte 30 contient un bain 32 de sodium en fusion. Un conduit 34 d'arrivée du gaz, relié à une source d'alimentation en gaz inerte, par exemple en argon, débouche a' l'intérieur de l'enceinte te 30. Dans un réacteur surrégénérateur rapide, le gaz inerte empoche l'oxydation du sodium de refroidissement.L'agitation superficielle, l'évaporation et le gradient de température produits par la formation d'une pulvérisation provoquent ltentrainement de particules 33 de sodium dans les gaz inertes et effluents 38. Ces particules, à l'état liquide ou de vapeur, pénètrent, avec les gaz effluents qui les entraînent, par le conduit 40 dans la partie intérieure 19 du bâti 12 du capteur 10. Les particules 33 de sodium sont dirigées vers la surface 15 des disques frittés 14. La température ré gnant dans le bâti 12 est suffisamment basse pour que le sodium passe à l'état liquide approximativement dans sa totalité.Les particules de sodium, dont le diamètre moyen est inférieur à 5 microns,adhèreiità la surface des disques 14 alors que le gaz inerte, effluent et épuré,passe par les pores 16 dans les chambres 19 des disques 14 et sort par l'extrémité 20 du conduit intérieur 18 pour etre remis en circulation ou pour passer dans un dispositif d'élimination (non représenté). La figure 2 représente les disques 14 dans le cas où ces derniers fonctionnent à froid (c'est-à-dire lorsqu'ils ne sont pas chauffés). Les particules 33 de sodium se solidifient et s'accumulentà a'la surface 15 du disque. Initialement, ces particules se répartissent librement sur cette surface 15. Par conséquent, le gaz effluent 38 peut passer dans les pores 16. Cependant, comme représenté sur la figure 3, les particules 33 s'accumulent et forment une croûte 35 qui provoque une chute de pression. Les forces mécaniques engendrées par cette dernière provoquent l'effondrement de cette croûte 35 qui oppose alors une très grande résistance à l'écoulement du gaz inerte 38. La figure 4 représente schématiquement un disque fritté 14 chauffé par la chemise 22 qui entoure le bati 12 du capteur 10 (figure 1). Ce disque 14 est porté à une température comprise entre 110 et 120OC, c'est-è-dire supérieure au point de fusion du sodium qui, autrement, forme une croûte à la surface 15 du disque. Le point de fusion du sodium est d'environ 100OC. Par conséquent, les particules 33 restent à l'état liquide et forment des gouttelettes 35 qui se déposent à la surface 15 du disque poreux 14. La tension superficielle donne ces gouttelettes 35 une forme sphérique. En adhérant à la surface 15, les gouttelettes ne recouvrent pas les entrées des pores.Par conséquent, chaque gouttelette 35 peut être contournée par le gaz effluent et ce dernier peut donc pëné- trer dans les pores 16. Bien que théoriquement la totalité du sodium soit séparée des gaz effluents, aucune accumulation empêchant ces derniers de passer ne se forme. Lors d'un fonctionnement prolongé, les particules de sodium adhèrent à la surface 15 des disques poreux et chauffés 14, comme décrit en regard de la figure 4, et elles forment des gouttelettes 35. Ces dernières grossissent progressivement puis tombent par gravité sur le fond 13 du bâti 12. Un conduit 42 permet de retourner le sodium liquide 32 ainsi accumulé dans le bain de sodium en fusion de 11 enceinte 30. Le filtre chauffé, constitué de disques frittés et empilés 14, peut donc fonctionner presque indéfiniment, car aucune croûte ne se forme à la surface 15 de ces disques pour obturer le filtre, comme c'est le cas des filtres fonctionnant b froid (figure 3). L'axpérience a montré que lorsque deux piles identiques de filtres en métal fritté sont mises en oeuvre, l'une fonctionnant à froid, c'est-à-dire à la température ambiante, et l'autre étant chauffée, clest-à-dire portée à une température supérieure à 100oC, la pile froide n'élimine que 3,6 g de sodium par mètre carré de surface de filtration, alors que la pile chauffée élimine plus de 486 g de sodium par mètre carré. Cet essai montre donc que le capteur fonctionnant à chaud élimine 135 fois plus de sodium que le capteur fonctionnant à froid. L'augmentation d'efficacité est donc très importante par rapport aux capteurs classiques. Il est estimé que pour les réacteurs nucléaires refroidis par sodium liquide, les capteurs à filtres frittés fonctionnant à froid doivent être changés après un temps de fonctionnement compris entre 3 et 6 mois. Les anciens filtres doivent etre totalement retirés du circuit d'alimentation du réacteur et remplacés par des filtres neufs. Cette opération nécessite un arrêt du réacteur. Les anciens filtres sont éliminés sous forme de déchets nucléaires. Ce procédé est long et coûteux. Il ressort des essais effectués jusqu'à ce jour que le filtre poreux et chauffé selon l'invention peut fonctionner pendant une durée au moins égale à plusieurs fois celle d'un filtre classique (la durée mentionnée précédemment, comprise entre deux remplacements du filtre, étant de 3 à 6 mois). Le diamètre nominal des pores d'un filtre en métal fritté est compris entre 5 et 165 microns. D'autres types de filtres de formes cylindriques, en étoile, comportant des éléments en fibres frittées ou en métal gravé à l'acide, donnent également satisfaction. Il est possible de remplacer les disques 14 de métal par d'autres types d'éléments en matière poreuse et à base de métal, présentant des formes géométriques différentes de celle représentée. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour éliminer d'un gaz inerte, provenant d'un bain de métal,des particules de métal liquide, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer le gaz inerte,entrat- nant les particules liquides,dans un capteur comportant un milieu poreux de filtration, à porter ce capteur à une température supérieure au point de fusion du métal pour maintenir les particules de ce dernier en phase liquide lorsqu'elles entrent en contact avec le milieu de filtration, et à faire sortir le gaz inerte et purifié du capteur. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal liquide est le sodium, ce procédé consistant également à recueillir le sodium liquide dans le capteur et à le renvoyer dans le bain. 3.. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur comporte au moins un disque poreux et évidé, renfermé dans un bats, approximativement imperméable aux particules de sodium mais laissant passer le gaz inerte et épuré. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le capteur est porte à une température comprise entre 110 et 120OC environ. 5. Appareil d'élimination de particules de sodium transportées par un gaz inerte provenant d'un bain de sodium,cet appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte un b#ti,un dispositif destiné à faire passer le gaz inerte. et les particules de sodium- qu1il entraxe dans ce bats, ce dernier renfermant au moins un disque poreux et évidé de filtration, destiné à empêcher les particules de sodium de passer tout en permettant au gaz inerte de pénétrer à l'intérieur du disque et de sortir du bâti, un dispositif de chauffage entourant ce dernier pour le porter, de même que le disque, à une température supérieure au point de fusion des particules de sodium. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le bati renferme plusieurs disques poreux, évidés et empilés.