Brevet FR2300289A1 — publié le 19760903

La présente invention est relative à un dispositif destiné à s'opposer aux courants de convection prenant naissance dans un espace ménagé entre deux pièces massives s'ernboitant l'une dans l'autre, avec un Deu de dimensions non négligeables, cet espace étant en contact d une part avec une première région contenant un fluide à température élevée et d'autre part avec une seconde région située au-dessus de la première et maintenue à température plus basse, par exemple voisine de la température ambiante.L'invention s'applique plus particulièrement quoique non exclusivement, dans le cas où l'une des pièces est constituée par un caisson de forme générale cylindrique pour réacteur nucléaire, ouvert à sa partie supérieure et contenant le coeur de ce réacteur ainsi qu'un fluide de refroidissement sous forme de gaz ou de vapeur, porté à température élevée et l'autre pièce un couvercle muni d'un bouchon engagé dans l'ouverture du caisson et fermant celui-ci de façon étanche par l'intermédiaire d'un joint porté par ce bouchon et comprenant notamment une couche d'un matériau isolant thermique, maintenant ce bouchon à température plus basse et sensiblement constante. On a déjà décrit et revendiqué, notamment dans le brevet français n 2 134 824, un dispositif à joint hydraulique entre la partie supérieure d'un caisson de réacteur, contenant un fluide de refroidissement sous forme de vapeur, et un bouchon fermant ce caisson, ce joint comportant notamment une #upe ou cloche péri phérique cylindrique à axe vertical, portée par le bouchon et s'étendant dans l'espace annulaire prévu entre celui-ci et le caisson, cette jupe coopérant avec une gouttière supportée par la paroi latérale du caisson de telle sorte que les vapeurs du fluide remontant du caisson vers le bouchon se condensent sur celui-ci et se recueillent au moins partiellement dans la gouttière, en isolant l'espace situé à l'extérieur de la jupe entre celle-ci et la paroi en regard du caisson, ce qui élimine ou tout au moins réduit dans une mesure significative, les courants de convection dans cet espace, dûs aux températures plus élevées à la base qu'au sommet, en réduisant par là-même les causes de pertes thermiques importantes. On constate cependant que, même avec cette disposition, les courants de convection peuvent encore prendre une valeur notable, surtout si l'espace par exemple annulaire, prévu entre le bouchon et le caisson est lui-même important. En particulier, on peut calculer le nombre N sans dimension N - Cpta4gS 98,88 L où C est la capacité calorifique du fluide de refroidissement en /Kg-C p sa masse spécifique moyenne en Kg/m3 a l'épaisseur de l'espace en m g l'accélération de la pesanteur en m/s' 8 le coefficient de dilatation thermique des pièces en regard en C 1 As l'écart en oC entre la base et le sommet de l'espace la viscosité du fluide en Ns/m2 et / sa conductivité en W/mSC, pour lequel, en supposant parfaite la condûctivité des parois en regard dans le sens tangentiel, on peut constater une stagna tion du fluide dans l'espace annulaire, sans courants de con section. Pour un écart de température 5 de 2500C environ, par exemple pour une température du fluide à l'intérieur du caisson de l'ordre de 3000C et une température du bouchon de 500C, sur 1 m de hauteur dans l'espace annulaire entre les deux pièces et sous une pression de 80 bars, on détermine la valeur des épaisseurs critiques pour les espaces ou fentes entre le bouchon et le caisson où sont réalisées de telles conditions de stagnation, correspondant à 1,2 mm lorsque le fluide dans le caisson est de la vapeur l'eau, 1,4 mm lorsque ce fluide est de l'azote et 3,5 mm lorsque ce même fluide est de l'hélium. Au-delà de ces valeurs, les courants de convection qui prennent naissance dans l'espace annulaire deviennent très importants et doivent être éliminés. Or, dans l'application plus spécialement envisagée où l'espace annulaire est délimité entre un bouchon et un caisson de forme générale cylindrique à axe vertical, présentant un diamètre de l'ordre de 4 à 8m, les jeux de construction et les tolérances de montage ne peuvent être inférieurs à 7 ou 8 mm sur le rayon dans la meilleure des hypothèses. De plus, les dilatations thermiques différentielles dans les structures de ce bouchon et du caisson dont les déformations sont plus ou moins bien entravées, peuvent conduire à accroitre notablement l'écart au montage et la valeur de l'espace en question. Dans ces conditions, les courants de convection sont inévitables et conduisent à des pertes thermiques importantes. La présente invention a pour objet un dispositif anticonvection qui permet de considérablement limiter de tels courants de convection dans un espace soumis à un gradient thermique vertical et concerne, dans le cadre de l'application plus particulière visée, le cas où cet espace est délimité entre la paroi interne d'un caisson de forme générale cylindrique à axe vertical pour réacteur nucléaire et la paroi externe d'un bouchon stemboi- tant dans ce caisson, cet espace annulaire étant le siège d'un gradient thermique entre une région chaude à l'extrémité inférieure de cet espace et contre l'une des pièces, et une région froide à sa partie supérieure et contre l'autre pièce. A cet effet, le dispositif anticonvection considéré, adapté à un espace étroit et allongé de largeur sensiblement constante, délimité par deux pièces à parois parallèles s'emboI- tant l'une dans l'autre et dans lequel est établi un gradient thermique vertical à travers un fluide remplissant cet espace, se caractérise en ce qu'il comporte un garnissage d'un matériau à porosité ouverte, élastique dans le sens de l'épaisseur, en -forme de fils, fibres, tricots ou feuillesprésentant entre eux des distances inférieures à l'épaisseur critique de stagnation dans les conditions de température dans cet espace. De préférence, ce matériau: est constitué de feuilles minces et souples, s'étendant transversalement dans cet espace selon sa longueur, ces feuilles solidarisées par un de leurs bords d'une des pièces et libres à leurs bords opposés, présentant dans une section par un plan transversal un profil en spirale avec recouvrement et appui mutuel des feuilles de proche en proche, 1 'épaisseur et le nombre de ces feuilles étant déterminés pour délimiter entre deux feuilles adjacentes dans l'espace entre les pièces, des jeux inférieurs à l'épaisseur critique de stagnation. De préférence, l'espace entre les pièces est un espace annulaire, délimité entre deux pièces coaxiales, cylindriques ou légèrement coniques, à axe vertical, les feuilles du garnis sage étant solidarisées de la surface externe de la pièce interne selon des génératrices. Selon le cas, les feuilles souples peuvent être constituées par des tôles minces, lisses ou gaufrées, par des grillages fins ou par tout autre moyen analogue. Le nombre, l'élasticité et la longueur circonférentielle des feuilles sont de toute manière choisis de telle sorte que l'épaisseur radiale des jeux délimités entre ces feuilles soit inférieure à l'épaisseur critique de stagnation, l'écartement entre ces feuilles étant suffisant pour tolérer les déformations ou enfoncements locaux, dus aux dilatations différentielles et aux opérations de montage et de démontage des deux pièces. Avantageusement, les feuilles souples sont enroulées dans le même sens autour de la pièce interne, associée elle-même à des moyens de commande en rotation dans la pièce externe, aptes à provoquer l'enroulement des feuilles dans l'espace annulaire, pour la mise en place ou le retrait de la pièce interne dans la pièce externe. Pour favoriser en outre l'introduction des deux pièces, on peut utiliser. en partie basse de l'espace annulaire, un ceinturage des feuilles par l'intermédiaire d'un lien souple de diamètre inférieur à celui de la pièce externe, ou des feuilles préformées telles que, sans appui externe, la partie inférieure de la pièce interne puisse pénétrer dans la partie supérieure de la pièce externe. On peut également donner aux deux pièces une légère conicité dans l'espace annulaire, favorisant leur emboîtement initial. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, où la pièce interne est constituée par un bouchon cylindrique à axe vertical, chemisé extérieurement et la pièce externe par un caisson coaxial, ouvert à son extrémité supérieure recevant le bouchon, ce caisson étant revêtu intérieurement d'une peau métallique d'étanchéité immobilisée par ancrage contre la paroi de ce caisson, l'espace annulaire est délimité par la peau d'étanchéité d'une part et par une virole à dilatation libre, cylindrique, coaxiale et solidaire du bouchon d'autre part. Avantageusement, la virole pénètre à son extrémité inférieure dans une gouttière portée par la peau d'étanchéité du caisson de façon à condenser les vapeurs de fluide sous l'espace annulaire entre la virole et la peau, en constituant un joint hydraulique. Dans ce mode de réalisation particulier, l'espace annulaire au-dessus du joint hydraulique est avantageusement placé sous pression d'un gaz neutre. D'autres caractéristiques d'un dispositif anticonvection établi conformément à l'invention, apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de realisation, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe verticale du dispositif considéré dans son application à un espace annulaire ménagé entre un bouchon et un caisson de réacteur nucléaire. - la Fig. 2 est une vue en perspective partielle d'un détail de la Fig. 1, - la Fig. 3 est une vue en coupe transversale partielle à plus grande échelle, de l'espace annulaire, illustrant les feuilles souples du dispositif anticonvection. Sur la Fig. 1, la référence 1 désigne la partie supérieure partiellement représentée d'un caisson en béton précontraint pour réacteur nucléaire. Ce caisson se présente sous la forme d'une enceinte de forme générale cylindrique à axe vertical, ouverte à sa partie supérieure et normalement fermée par un bouchon 2 s'emboîtant dans la partie supérieure de ce caisson. Ce dernier est doublé sur sa face interne dirigée vers le bouchon 2 d'une peau d'étanchéité 3, constituée par une telle métallique mince, ancrée contre la paroi de béton par l'intermédiaire de tiges d'ancrage 4, perpendiculaires à cette tale et noyées dans le béton de la paroi 1.Avantageusement, ces fers d'ancrage traversent une paroi interne de coffrage 5, montée dans l'épais- seur du caisson 1 et délimitant entre ce coffrage et la peau 3 une couche 6 d'un béton spécial isolant thermique, susceptible d'être porté à température relativement élevée par contact avec la peau 3, elle-même en contact à l'intérieur du caisson avec un fluide de refroidissement du réacteur sous forme de vapeur.Au-delà du coffrage 5, la région 7 contenant le béton de structure proprement dit de la paroi 1, est maintenue à température relativement basse par des tubes de refroidissement 8, noyés au voisinage de ce coffrage 5. A son extrémité supérieure, la peau d'étanchéité 3 présente un rebord d'appui 9 contre lequel vient reposer le bouchon 2, ce rebord étant prolongé par un renfort latéral 10 permettant le montage en position oblique de vérins 11, schématiquement désignés sur le dessin et permettant d'assurer le blocage du bouchon 2 une fois celui-ci mis en place dans la partie supérieure du caisson 1 où il vient reposer sur la portée 9 par l'intermédiaire de joints d'étanchéité 2a. Le bouchon 2 est constitué par un bloc de béton, chemisé extérieurement par une enveloppe 12 présentant un renforcement latéral 13 au droit des vérins obliques 11. Cette enveloppe 12 se prolonge sous le renforcement 13 par une enveloppe comprenant une partie latérale 14 et une plaque inférieure 15, des tubes 16 parcourus par un réfrigérant approprié étant noyés dans le bloc de béton central du bouchon 2 pour assurer le maintien de cette enveloppe à une température relativement basse et sensiblement constante.L'enveloppe précédente est doublée par une jupe cylindrique latérale 17, continuée par une plaque d'appui 18 délimitant avec l'enveloppe dés bouchons une région remplie d'un calorifuge 19. Ce dernier, du genre calorifuge mouillé, complète l'isolation thermique du bouchon 2, le mouillage du calorifuge étant réalisé par l'intermédiaire de tubes à évent 20, noyés dans l'épaisseur de calorifuge et muni sous celui-ci de siphons inférieurs 21, évitant des surpressions de part et d'autre de la plaque inférieure 18. Dans le dispositif considéré, on intercale entre le bouchon et le caisson une virole coaxiale 22, amovible séparément, afin de faciliter les démontages et remontages du bouchon. Le faible jeu qui peut être obtenu entre le bouchon et la virole, tous deux à dilatations libres, permet d'obtenir directement entre ces pièces la condition de stagnation. La virole 22 présente à son extrémité supérieure une collerette de fixation 23, permettant son montage dans un gradin du rebord 9. A son extrémité inférieure, cette virole est munie d'une pièce de forme 25, dont une extrémité 26 pénètre partiellement dans une gouttière annulaire 27, rendue solidaire de la peau d'étanchéité 3 du caisson 1.Sur la Fig. 2, on a représenté en vue partielle, le détail de cette gouttière 27, montrant notamment sa réalisation au moyen d'une tôle ondulée 28 convenablement conformée et soudée contre la paroi en regard de la peau d'étanchéité 3, cette forme particulière étant avantageusement prévue pour éviter des efforts excessifs de flexion lors des variations de température au cours de l'utilisation et du fonctionnement du réacteur. Les dispositions de réalisation explicitées ci-dessus montrent que la virole 22 délimite avec la face en regard de la peau d'étanchéité 3, un espace annulaire vertical 29, relativement étroit mais dont les dimensions transversales sont néanmoins suffisamment importantes du fait des jeux de fabrication et des tolérances de montage pour qu'il ne soit pas possible d'éviter sans autres précautions, la naissance de courants de convection dans le fluide contenu dans cet espace et provenant du caisson, du fait que la partie inférieure est sensiblement à la température de la cavité du caisson et que la partie supérieure est maintenue à la température ambiante. A cet effet et conformément à l'invention, l'espace 29 est muni d'un garnissage 30, formé de feuilles minces et souples 31 dont la vue en coupe de la Fig. 3 permet de mieux illustrer la configuration. Ces feuilles s'étendent verticalement dans l'espace 29, en étant rendues solidaires de la virole 22 selon des génératrices 32 de cette dernière et présentant le profil de spirales successives de telle sorte que ces feuilles 31 enroulées dans le même sens, se recouvrent partiellement et mutuellement par leur bord opposé 33 de l'une à l'autre. Grâce à ces dispositions, -les feuilles du garnissage délimitent entre elles des jeux dont la largeur transversale "d" est en tous points sensiblement inférieure non seulement à la largeur totale de l'espace 29, mais à la valeur minimale permettant de conduire à la stagnation du fluide contenu dans l'espace annulaire.Ces feuilles sont par ailleurs conçues de façon à tolérer aisément les efforts et notamment les enfoncements locaux dus aux variations dimensionnelles provoquées par le gradient de température notamment entre la base et le sommet de l'espace 29. Il y a lieu également de noter que l'effet anti-convectif du garnissage 30 se combine avantageusement avec celui du a la présence du joint hydraulique ménagé à la partie inférieure de la virole 22 par la pièce 25 coopérant avec la tole ondulée 28 de la gouttière 27, les vapeurs de fluide dans le caisson se condensant sur cette pièce et se recueillant dans la gouttière, ce qui conduit au remplissage en liquide de l'espace 29. De plus, il peut être souhaitable de compléter encore les dispositions précédentes, en plaçant l'espace annulaire et celui qui sépare la virole 22 de la jupe 17, sous pression d'un gaz neutre#, notamment de l'hélium, amené à travers le renforcement 13 du bouchon 2 par un conduit 34, la communication à travers la virole 22 étant réalisée par des passages 35 répartis selon la périphérie de cette dernière. Le montage de la virole 22 munie de son garnissage 30 dans le caisson 1 peut être réalisé par tout moyen approprié. Notamment, grâce à l'élasticité et à la souplesse des feuilles 31 de ce garnissage, on peut facilement prévoir, préalablement à la mise en place du bouchon, d'enrouler ces feuilles sur la virole 22 par l'intermédiaire deun lien détachable (non représenté), de telle sorte, qu'après engagement-du bouchon et retrait du lien, ces feuilles du fait de leur élasticité propre, reprennent leur posi tison telle qu'illustrée sur la Fig. 3, en venant se répartir transversalement dans espace annulaire 29e Une mise en oeuvre inverse peut naturellement être envisagée pour retirer la virole, cette dernière étant associéeà des moyens permettant de la faire pivoter sur elle-même pour assurer l'enroulement des feuilles sur la virole avec libération de l'espace annulaire. Bien entendu, on pourrait prévoir d'autres dispositions de réalisation, consistant en particulier à donner-d la virole et à la partie supérieure du caisson une conicité convenable pour faciliter l'engagement de ces deux pièces l'une dans l'autre, avec compression partielle dù garnissage de feuilles minces. Il en résulte que l'invention ne se limite pas au seul exemple plus spécialement décrit et représenté ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. Particulièrement dans le cas où l'on peut injecter un gaz plus léger que la vapeur d'eau, notamment l'hélium, et lorsque l'on peut obtenir des écarts entre feuilles suffisamment réduits dans l'espace anticonvectif, le joint hydraulique inférieur n'est plus indispensable, le gaz surmontant la vapeur avec un très faible mélange et la pression partielle de vapeur dans le gaz pouvant atteindre à chaque niveau la valeur correspondant à la température locale. REVENDICATIONS 1. Dispositif anticonvection, applicable notamment dans un espace étroit et allongé de largeur sensiblement constante, délimité par deux pièces à parois parallèles s'emboîtant l'une dans l'autre et dans lequel est établi un gradient thermique à travers un fluide remplissant cet espace, caractérisé en ce qu'il comporte un garnissage d'un matériau à porosité ouverte, élastique dans le sens de l'épaisseur, en forme de fils, fibres, tricots ou feuilles présentant entre eux des distances inférieures à l'épaisseur critique de stagnation dans les conditions de température dans cet espace. 2. Le dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le garnissage est constitué de feuilles minces et souples, s'étendant transversalement dans cet espace selon sa longueur, ces feuilles solidarisées par un de leurs bords d'une des pièces et libres à leurs bords opposés, présentant dans une section par un plan transversal un profil en spirale avec recouvrement et appui mutuel des feuilles de proche en proche, l'épais- seur et le nombre de ces feuilles étant déterminés pour délimiter entre deux feuilles adJacentes dans espace entre les pièces, des Jeux inférieurs à l'épaisseur critique de stagnation. 3 Dispositif anticonvection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace entre les pièces est un espace annulaire, délimité entre deux pièces cylindriques coaxiales, à axe vertical, les feuilles du garnissage étant solidarisées de la surface externe de la pièce interne selon des génératrices verticales. 4. Dispositif anticonvection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les feuilles souples sont constituées par des tôles minces, lisses ou gaufrées, par des grillages fins ou par tout autre moyen analogue. 5. Dispositif antlconvectlon selon la revendication 1, caractérisé en ce que les feuilles souples sont enroulées dans le même sens autour de la pièce interne, associée elle-même à des moyens de commande en rotation dans la pièce externe, aptes à provoquer l'enroulement des feuilles dans l'espace annulaire, pour la mise en place ou le retrait de la pièce interne dans la pièce externe. 6. Dispositif anticonvection selon la revendication 1, aaractérisé en ce que la pièce interne est constituée par un bouchon cylindrique à axe vertical, chemisé extérieurement, et la pièce externe par un caisson coaxial, ouvert à son extrémité supérieure et recevant le bouchon, ce caisson étant revêtu intérieurement d'une peau métallique d'étanchéité lmmobillsée par ancrage contre la paroi de ce caisson, l'espace annulaire étant délimité par la peau d'étanchéité d'une part et par le bouchon d'autre part. 7. Dispositif anticonvection selon la revendication 6, caractérisé en ce que le bouchon étant constitué d'un noyau chemisé extérieurement et d'une virole concentrique qui lui est liée avec un faible jeu, cette virole est en dilatation libre et porte le garnissage anticonvectif, en restant engagée dans le caisson. 8. Dispositif anticonvection selon la revendication j, caractérisé en ce que la virole pénètre à son extrémité inférieure dans une gouttière portée par la peau d'étanchéité du caisson de façon à condenser les vapeurs de fluide sous l'espace annulaire entre la virole et la peau en constituant un Joint hydraulique. 9. Dispositif anticonvection selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace annulaire est placé sous pression d'un gaz neutre.