Brevet FR2382255A1 — publié le 19780929

La présente invention concerne un purgeur de vapeur, et plus précisément, un purgeur de vapeur qui est capable d'éliminer en continu un métal liquide d'un courant de gaz contenant ce métal. Les surrégénérateurs ~rapides" (à neutrons rapides) utilisent d'ordinaire comme agent réfrigérant pour le transport de la chaleur un métal à l'état liquide, notamment le sodium en raison de sa bonne conductivité thermique et de son point d'ébullition élevé. Cependant, le sodium est uns substance tres active du point de vue chimique ; au contact de l'air ou de l'humidité, il s'enflamme ou fume et forme des oxydes qui accélèrent la corrosion des matériaux de construction du réacteur. Pour prévenir ces risques, il est nécessaire, avec tous les matériels nucléaires dans lesquels il y a une surface de sodium liquide libre, d'emplir l'espace qui surmonte le niveau du liquide d'un "gaz de couverture" ou d'une couverture d'un gaz inerte, par exemple d'argon.La couverture de gaz inerte qui est ainsi formée au-dessus du métal fondu chaud entratne naturellement la vapeur du métal montant de la surface libre et une masse de fines gouttelettes de métal liquide (le "brouillard") formées par condensation sur les noyaux de toutes petites particules du gazde couverture. Lorsque le gaz de couverture qui contient le métal liquide sous la forme décrite entre dans la tuyauterie à basse température de l'installation d'évacuation de gaz, vapeur du métal se condense et se solidifie sur la paroi intérieure de la tuyauterie, et le brouillard de métal se dépose puis devient lui aussi solide sur la surface de paroi intérieure des tuyaux.L'accumulation progressive des dépôts de métal solide sur la paroi intérieure risque de provoquer un colmatage de la tuyauterie, ce qui finit par rendre impossible le réglage des pressions de gaz dans les composants de l'installation du réacteur. Pour exclure le risque de colmatage, on a coutume, avec les réacteurs existants,d'installer un purgeur de vapeur, tel que celui qui est représenté sur la figure lrd l'entrée de la tuyauterie, pour évacuer le gaz de ouverture et séparer ainsi du gaz la vapeur et le brouillard du métal liquide. Comme le montre la figure 1, le gaz de couverture entraînant le métal liquide est amené à traverser un treillis métallique 22 qui est disposé dans un cylindre 1 refroidi par un refroidisseur 5. Le métal se sépare du gaz de couverture à mesure que sa vapeur se condense sur le treillis métallique 2, et son brouillard frappe le treillis 2 et y adhère. Le cylindre 1 comporte une entrée de gaz 3 à une extrémité et une sortie de gaz 4 à l'autre extrémité. Le purgeur de vapeur du type qui vient d'être décrit est colmaté, au bout d'un laps de temps relativement court, par le métal liquide qui se sépare à l'intrieur du treillis 2. Par ailleurs, comme la taille des particules du brouillard métallique s'échelonne habituellement de pas plus de 1 à 10 microns, le rendement de la séparation est faible, et c'est pourquoi il faut installer derrière le purgeur de vapeur de la figure 1 un filtre à mailles fines. Ainsi que l'on s'en rendra compte facilement, ce filtre à mailles fines permet le dépôt du brouillard de métal séparé et sa durée de vie est relativement brève. L'objectif de la présente invention est de pallier les inconvénients de la technique antérieure et de procurer un purgeur de vapeur qui est capable d'éliminer en continu le métal liquide du gaz de couverture qui l'entraîne. Sur la planche de dessins annexée la figure I est une vue en coupe verticale d'un purgeur de vapeur classique la figure 2 est une vue en coupe verticale d'une forme de réalisation préférée de l'invention ; et la figure 3 est une vue en coupe partielle d'une autre forme de réalisation de l'invention. La présente invention se caractérise en ce que le purgeur de vapeur comprend un moyen de refroidissement de la surface de paroi extérieure du trajet suivi par un gaz contenant un métal liquide, et un moyen de chauffage de ce gaz, placé à l'intérieur du trajet suivi par le gaz de façon à faire face à la surface de paroi intérieure qui l'entoure. Conformément à la présente invention, la paroi cylindrique d'un trajet d'écoulement du gaz de couverture est refroidie, et un dispositif de chauffage est placé à l'intérieur du trajet d'écoulement de façon à créer un gradient de température brutal dans le courant du gaz de couverture, si bien qu'on recueille le brouillard de métal liquide en tirant parti de son mouvement vers la surface de refroidissement sous l'effet de la diffusion thermique qui résulte de ce gradient de température , et la vapeur de métal liquide se condense sur cette même surface ainsi, selon l'invention, la vapeur et le brouillard de métal l#qu.tde qui sont entraînés par le gaz de couverture sont séparés non pas par contact direct avec la surface de recueil, mais du fait de leur migration vers cette surface, dans une direction perpendiculaire à celle suivie par le courant de gaz, en vertu des brusques gradients de concentration et de température de la vapeur de métal qui ont été.produits au préalable. Le trajet d'écoulement du gaz de couverture n'a donc pas besoin d'être aussi extrêmement étroit que celui qui est procuré par le treillis métallique 2 du purgeur de vapeur classique représenté sur la figure 1. Ce trajet élargi élimine les risques de colmatage du purgeur par le métal liquide séparé. D'autre part, le condensat est complètement vidangé sans être partiellement retenu par le treillis sous l'effet de la capillarité, comme c'est le cas avec le purgeur ordinaire.Pour permettre au métal liquide séparé et recueilli de descendre ou de tomber goutte à goutte sous l'effet de la pesanteur, le long de la surface, il faut obligatoirement maintenir la paroi de refroidissement à une température au moins égale au point de fusion du métal considéré. La figure 2 représente une forme de réalisation de l'invention. L'unité de séparation liquide-métal du purgeur comprend une surface de refroidissement 7 sous la forme d'un cylindre équipé d'ailettes de refroidissement 8 sur sa face extérieure, et une barre chauffante 6 logée concentriquement dans ce cylindre. La capacité de cette unité de séparation, exprimée en débit du gaz de couverture traité, sera sera de 0,05 m normaux par heure, par exemple, en supposant que le cylindre de refroidissement 7 a un diamètre intérieur de 15 mm et une longueur de 2 m, que la barre chauffante 6 a un diamètre extérieur de 5 mm, et que les températures de surface de la barre chauffante 6 et du cylindre de refroidissement 7 sont respectivement de 5000C et de 2000C. Il s'ensuit que le gaz de couverture peut être traité à la cadence de 1 m3 normal par heure par 20 de ces unités de séparation disposées en parallèle. La figure 2 montre un ensemble de trois unités montées en parallèle. Le gaz de couverture qui contient la vapeur et le brouillard de métal liquidé pénètre dans une enceinte inférieure 12 sous pression à son entrée 3 et suit des trajets d'écoulement annulaires formés entre les cylindres de refroidissement 7 et les barres chauffantes 6. Le gaz de couverture, débarrassé du métal liquide grâce au dépôt de ce dernier sur la face intérieure des cylindres 7,sort d'une enceinte supérieure 13 sous pression à sa sortie 4 et va dans une conduite d'évacuation.Les cylindres de refroidissement 7 ont sur leur face extérieure des ailettes de refroidissement 8 et sont refroidis à force par un refroidisseur 5. Il est possible de régler la température de l'ensemble des cylindres en mettant le refroidisseur 5 tour à tour en marche et à l'arrêt en fonction des indications d'un pyromètre 11 qui est associé aux cylindres 7. Dans chaque unité, un brusque gradient de température, de 50çC/mm , est créé entre la barre chauffante 6 et la surface de refroidissement cylindrique 7.En conséquence, le brouillard de métal liquide qui est entraîné par le gaz de couverture dans les espaces annulaires depuis l'enceinte inférieure 12 sous pression monte alors avec le gaz et, en même temps, migre radialement sous l'effet de la diffusion thermique vers la paroi environnante de cylindres à une vitesse de 3 mm/s environ. Comme la paroi du cylindre est à basse température, la tension de vapeur du métal au voisinage de sa surface intérieure est extrêmement faible par rapport à la tension de vapeur du métal dans le gaz de couverture qui arrive a 1 entrée 3.Par conséquent, tandIs que le gaz de couverture passe entre la surface chauffante (c'est- -dire la surface de la barre chauffante 6) et la surface de refroidissement 7, la vapeur de métal se condense rapidement sur la surface de refroidissement 7 et se sépare du gaz de couverture. Le condensat qui se trouve sur la surface de refroidissement reste à l'état liquide, car la surface est maintenue à une température plus élevée que le point de fusion du métal.Si le métal liquide qui adhère a la surface est le sodium, il prendra la forme de gouttes lorsque la température de la surface de refroidissement 7 sera égale à 2000C, ou bien il prendra la forme d'une pellicule lorsque cette température de surface sera égale à 3000C. Dans tous les cas, avec une augmentation progressive du déport, le métal liquide commence à tomber sous l'effet de la pesanteur, en se rassemblant au fond de l'enceinte inférieure 12 sous pression. Le métal liquide vidangé 10 est évacué dans une canalisation pour être récupéré dans un réservoir de vidange qui n'est pas représenté. Avec le purgeur de vapeur qui concrétise l'invention, on évite le colmatage et il est possible d'éliminer en continu du gaz de couverture la vapeur et le brouillard de métal liquide. Le rendement de la séparation est égal à 99,99%. Cela signifie que 99,99% du métal liquide introduit dans le purgeur à l'entrée 3 peuvent être séparés et vidangés. Pour parvenir à un tel rendement de séparation, il importe que la température de la surface de refroidissement 7 ne soit pas eaop us élevée que le point de fusion du métal considéré. Cela permet à la tension de vapeur du métal au voisinage de le surface de refroidissement de tomber assez bas pour que la quantité de vapeur de métal qui s'échappe dans l'enceinte supérieure 13 sous pression soit ramenée à une proportion négligeable. La figure 3 représente une autre forme de réalisation de l'invention. Un collecteur 14 est fixé à l'extrémité inférieure d'une surface de refroidissement cylindrique 7 de façon à recueillir le métal liquide 9 qui s'est rassemblé et est descendu sous l'effet de la pesanteur le long de la surface de paroi. Le collecteur 14 vidange directement le métal liquide recueilli, par un tuyau de vidange 15,dans la masse de métal liquide 10 qui est vidangé du bas de l'enceinte inférieure 12 sous pression. Cette forme de réalisation permet d'éviter le contact direct du métal liquide tombant de la surface de refroidissement 7, avec le gaz de couverture qui se trouve dans l'enceinte inférieure 12 sous pression. Cette variante a l'avantage d'empêcher la redispersion et le réentrainement, dans le gaz de couverture qui se trouve dans l'enceinte inférieure 12 sous pression, des gouttes du métal liquide déjà séparé. Selon l'invention, telle qu'on vient de la décrire, le purgeur de vapeur est capable de séparer en continu le métal liquide du gaz de couverture sans risquer d'être colmaté par le métal séparé car le métal ainsi séparé du gaz est mis continuellement en circulation le long de la surface de refroidissement et est vidangé sous l'effet de la pesanteur. REVENDICATIONS 1. Purgeur de vapeur comprenant un trajet d'écoulement suivi par un gaz contenant un métal liquide, un moyen de refroidissement de la surface de paroi extérieure dudit trajet d'écoulement, et un moyen de chauffage dudit gaz, qui est placé dans ledit trajet de façon à faire face à sa surface de paroi intérieure. 2. Purgeur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface de paroi intérieure et ledit moyen de chauffage délimitent entre eux un espace annulaire. 3. Purgeur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite surface de paroi intérieure dudit trajet d'écoulement est maintenue à une température qui n'est pas plus basse mais qui n'est pas beaucoup plus élevée que le point de fusion dudit métal. 4. Purgeur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit métal liquide est le sodium et en ce que ladite surface de paroi intérieure dudit trajet d'écoulement est maintenue à une température comprise entre 200 et 3000C. 5. Purgeur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un collecteur fixé à l'extrémité inférieure dudit trajet d'écoulement pour être refroidi de façon à vidanger directement le métal liquide recueilli par la surface de paroi intérieure refroidie dudit trajet d'écoulement, sans aucun contact avec le gaz qui arrive dans ledit trajet d'écoulement.