Brevet FR2358631A1 — publié le 19780210

L'invention concerne un échangeur de chaleur. Dans les centrales nucléaires fonctionnant au sodium, il est classique de monter un échangeur de chaleur intermédiaire entre le réacteur nucléaire et le générateur de vapeur. Les deuxfluides de transmission de chaleur d'un tel échangeur sont normalement constitués de sodium liquide. L'échangeur intermédiaire de chaleur est destiné à assurer la transmission de la chaleur du sodium liquide de refroidissement primaire, rendu radioactif lors de son passage dans le noyau du réacteur, au sodium liquide du circuit secondaire qui doit être maintenu relativement exempt de toute radioactivité, car ce dernier fluide circule dans le générateur de vapeur de la centrale où il transmet sa chaleur à l'eau devant etre transformée en vapeur.Ces échangeurs de chaleur étant soumis aux variations de température résultant des circuits de sodium liquide et d'eau, ils subissent souvent des gradients de température et des phénomènes thermiques transitoires de grande amplitude pendant le fonctionnement normal de la centrale. Ces conditions défavorables sont accentuées lorsque la centrale ne fonctionne pas normalement ou en cas de bouleversements. L2un des problèmes les plus difficiles posés lors de la conception des éléments dune centrale est donc de donner aux échangeurs de chaleur une grande sûreté de fonctionnement même lorsqu'ils sont soumis à des contraintes indésirables apparaissant pendant ces excursions de température par suite de différences de dilatation entre les tubes et l'enveloppe. L'un des procédés antérieurs mis en oeuvre pour résoudre de problème concernant les échangeurs de chaleur consiste à monter un soufflet à l'intérieur de l'enveloppe et à le relier aux deux plaques de montage des tubes afin de leur permettre de se déplacer à peu près indépendamment de llenveloppe. Ce montage donne satisfaction dans des conditions normales de fonctionnement, mais il ne présente pas les garanties de sécurité demandées en cas de rupture des soufflets dans certaines conditions difficiles, par exemple en cas de tremblements de terre ou sous l'effet d'importantes excursions de pression dues à d'autres causes telles qu'une forte réaction du sodium et de l'eau dans le générateur de vapeur d'eau. L'invention concerne donc un échangeur de chaleur destiné à la transmission indirecte de la chaleur d'un fluide chauffant à un fluide à chauffer et comprenant des dispositifs de sécurité mis en oeuvre en cas de rupture du soufflet. L'échangeur de chaleur selon l'invention comprend une enceinte allongée et sous pression qui comporte une buse de sortie de fluide chauffé à proximité d'une première extrémité, deux plaques à tubes, espacées axialement l'une de l'autre et disposées à l'intérieur de l'enceinte, une première plaque étant fixée à cette enceinte et l'autre coopérant avec un couvercle de fermeture pour former une tête flottante délimitant une chambre intermédiaire de sortie du fluide chauffé, un faisceau de tubes à peu près parallèles reliés par leurs extrémités opposés aux plaques, un dispositif destiné à faire circuler un fluide chauffant dans l'enve- loppe, à l'extérieur des tubes, un dispositif destiné à faire circuler le fluide à chauffer dans les tubes de manière à le placer en position de transmission indirecte de chaleur par rapport au fluide chauffant, un conduit coulissant qui fait saillie du couvercle et qui passe dans une ouverture de la première extrémité de l'enveloppe, un soufflet annulaire relié par une extrémité au tube et par son autre extrémité à l'enveloppe, l'échangeur de chaleur selon l'invention étant notamment caractérisé en ce qu'il comporte un joint coulissant d'étanchéité à presse-étoupe monté à ltextérieur du soufflet, entre le tube et l'enveloppe, ce joint coulissant suivant le mouvement longitudinal relatif du tube et de l'enveloppe et constituant un dispositif secondaire de sécurité qui réalise une protection contre toute fuite de l'enveloppe en cas de rupture du soufflet. L'échangeur de chaleur selon l'invention comporte des tubes droits montés entre des plaques supérieure et inférieure. Afin de réduire les contraintes thermiques, une première plaque est fixée à l'enveloppe et l'étanchéité de l'autre est assurée par un soufflet flexible. Dans le cas d'une rupture de ce soufflet, une boute contenant un joint coulissant à presse-étoupe renferme et maintient le soufflet. De plus, un clavetage empêche toute rotation entre l'enveloppe et la feuille tubulaire, une telle rotation pouvant résulter des charges appliquées par le tube et pouvant provoquer l'application de-contraintes sur le soufflet et, par conséquent, sa rupture. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 est une élévation schématique d'une centrale nucléaire comportant 11 échangeur intermédiaire de chaleur selon l'invention; la figure 2 est une élévation, avec coupe axiale partielle, de l'échangeur de chaleur de la figure 1; la figure 3 est une coupe axiale partielle, à échelle agrandie, d'un détail de l'échangeur de la figure 2, cette vue montrant un soufflet; et la figure 4 est une coupe suivant la ligne 4-4 de la figure 2. La figure 1 représente une centrale nucléaire qui comprend un réacteur 10 dans lequel un noyau nucléaire chauffe du sodium en fusion. Le sodium liquide s'écoule vers un échangeur intermédiaire 12 de chaleur dans lequel un autre fluide, par exemple également du sodium liquide, absorbe indirectement la chaleur du liquide primaire. Le sodium liquide primaire, après avoir cédé sa chaleur, revient au réacteur 10 pour y eAtre de nouveau chauffé. Le sodium liquide chauffé dans l'échangeur 12 s'écoule vers un générateur 14 dans lequel de l'eau est transformée en vapeur. L'échangeur 12 est destiné à transmettre la chaleur du liquide primaire contaminé au sodium liquide secondaire de manière que ce dernier ne présente à peu près aucune radioactivité. La figure 2 représente en détail l'échangeur 12 de chaleur associé au générateur 14 de vapeur d'eau. Le sodium liquide pénètre dans une enveloppe 20 par une buse 22 et en sort par une buse 24 de manière à retourner au réacteur ou à l'échangeur intermédiaire de chaleur pour y être davantage chauffé. L'eau à vaporiser pénètre dans une chambre inférieure intermédiaire 26 par une buse inférieure 28 et s'écoule dans un faisceau de tubes 30 de manière à recevoir indirectement de la chaleur du sodium liquide, avant de sortir par une chambre intermédiaire 32 et une buse 34 de décharge. Les extrémités inférieures des tubes 30 sont reliées à une plaque inférieure 36 et leurs extrémités supérieures sont reliées à une plaque supérieure 38. La plaque inférieure 36 est fixée au récipient ou à l'enceinte 20 de toute manière convenablé, par exemple par soudage. La plaque supérieure 38 est montée de manière à flotter par rapport à l'enceinte 20 à laquelle elle ~ n'est pas reliée rigidement. Par conséquent, elle peut subir des mouvements dus aux variations de température, indépendamment de 11 enceinte 20. Un dôme 40 est également relié à la plaque flottante 38 et comporte une buse 34 de décharge. Un soufflet métallique expansible 42 permet le déplacement de la plaque 38 tout en empeehant le sodium liquide de s'échapper à l'atmosphère. Comme représenté sur la figure 3, le soufflet 42 est soudé à proximité de son extrémité supérieure à un prolongement 44 du dôme. L'extrémité inférieure du soufflet est soudée au bord supérieur 20A de l'enveloppe 20. Par conséquent, la zone 50 délimitée à l'intérieur du soufflet est remplie de sodium liquide. Le soufflet peut erre du type à paroi double dont l'espace compris entre les plis peut être rempli d'un gaz inerte à une certaine pression comprise entre celle du sodium liquide et la pression de l'ataosphère régnant à l'extérieur du soufflet. Des organes 54 et 56 permettent de contrôler la pression régnant dans cet espace afin de détecter toute fuite des plis. Dans le cas d'une fuite de lXun de ces plis, la pression reste maintenue par l'autre pli et le générateur dé vapeur d'eau peut Btre arrêté de manière convenable ou bien son fonctionnement peut eAtre prolongé jusqu'au moment normal d'arrêt, par exemple lors de la réalimentation du réacteur en combustible ou lors d'une opération d'entretien. Dans le cas d'une défaillance grave du soufflet, qu'il soit du type à une ou deux parois, une telle défaillance pouvant résulter d'un tremblement de terre ou de tout autre cause, une boîte renfermant un joint du type coulissant à presseétoupe entoure totalement le soufflet pour empêcher le sodium liquide de s'échapper à l'atmosphère où son contact avec l'oxy- gène provoque des réactions chimiques graves pouvant causer un incendie et la libération de sous-produits caustiques. L'extrémité inférieure de la boite de protection est boulonnée et montée hermétiquement à l'aide d'un joint sur la tête supérieure 20A de ltenveloppe 20.L'extrémité supérieure de la boîte 52A de protection contient un joint annulaire, comprimé et coulissant 52 d'étanchéité qui ferme la zone 52B comprise entre la surface intérieure de la boite et la surface extérieure du soufflet. Le joint coulissant oppose une faible r-ésistance au mouvement relatif de la tête 20A et du prolongement 44 du d8me et, de même que le soufflet, il permet à la plaque supérieure des tubes de "flotter" par rapport à l'enceinte. L'espace 523 peut être traité de diverses manières. Il est avantageux qu'il soit rempli d'un gaz inerte à une pression comprise entre celle du sodium et la pression de l'atmosphère, et constamment contrôlée de manière à permettre la détection de fuites du soufflet. Dans le cas d'une fuite du soufflet, la pression du gaz inerte régnant dans l'espace 52B doit être portée à une valeur égale ou légèrement supérieure à celle de la pression du sodium afin d'empêcher toute fuite de sodium dans cet espace 523. Le générateur de vapeur d'eau peut alors être arrêté de manière ordonnée ou bien il peut être maintenu en fonctionnement dans ces conditions jusqu'au moment d'arrêt normalement prévu. La conception de la boite 52A de protection et du soufflet 42 permet un remplacement simple de l'un ou l'autre de ces éléments lorsqu'il est défectueux, par démontage d'un coude à collet relié au prolongement 44 du c8me. Comme représenté sur les figures 3 et 4, le prolongement 44 du dôme comporte plusieurs clavettes 60 qui se logent dans des rainures ou gorges 62 de manière à empêcher la plaque 38 de tourner dans l'enceinte 20 sous l'effet des charges exercées sur cette dernière ou sur la plaque par les tubes qui y sont reliés. Ainsi, le soufflet 42 est protégé contre toute contrainte excessive risquant de le détériorer. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'échangeur de chaleur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATI0NS 1. Echangeur de chaleur destiné à la transmission indirecte de chaleur d'un fluide chauffant à un fluide à chauffer, cet échangeur comprenant une enceinte allongée sous pression qui présente une buse de sortie de fluide chauffé à proximité d'une première extrémité et qui contient deux plaques à tubes, espacées axialement l'une-de l'autre, une première de ces plaques étant fixée à l'enceinte et l'autre coopérant avec un couvercle pour former une tête flottante qui délimite une chambre intermédiaire de sortie du fluide chauffé, un faisceau de tubes à peu près parallèles étant relié par ses extrémités opposées aux plaques, un dispositif faisant circuler un fluide chauffant dans 11 enceinte, à l'extérieur des tubes, un dispositif faisant circuler le fluide à chauffer dans les tubes, de manière à réaliser une transmission indirecte de chaleur entre le fluide chauffant et le fluide chauffé, un conduit faisant saillie du couvercle et coulissant dans une ouverture de la première extrémité de ltenceinte, un souf- flet annulaire étant fixé par une première extrémité à ce conduit et par son autre extrémité à l'enceinte, l'échangeur de chaleur étant caractérisé en ce qu'il comporte un joint d'étanchéité coulissant à presse-étoupe, monté à l'extérieur du soufflet entre le conduit et l'enceinte, de manière à suivre le mouvement longitudinal relatif du conduit et de l'enceinte et à constituer un dispositif secondaire de sécurité empêchant toute fuite de fluide de l'intérieur de l'enceinte en cas de rupture du soufflet. 2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le conduit et l'enceinte comportent plusieurs clavettes et rainures qui coopèrent et qui permettent un mouvement longitudinal relatif du conduit et de l'enceinte tout en les empêchant de tourner l'un par rapport à l'autre afin d'éviter toute détérioration du soufflet.