Brevet FR2385067A1 — publié le 19781020

La présente invention due aux travaux de Monsieur Jacques MARJOLLET de la Société STEIN-INDUSTRIE, de Messieurs Michel AUBERT et Jean-Marie BERNIOLLES du COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATO MIQUE et de Monsieur Patrick JOGAND, est relative a un échangeur thermique annulaire, comportant un faisceau de tubes de circulation parallèles s'étendant verticalement, ces tubes baignés extérieurement par un fluide primaire et parcourus intérieurement par un fluide secondaire échangeant mutuellement des calories, étant répartis de façon circonférentielle à l'intérieur d'une virole cylindrique externe délimitant l'échangeur. L'invention s'applique plus particulièrement à un échangeur thermique de ce genre destiné à être utilisé comme échangeur intermédiaire dans un réacteur nucléaire à neutrons rapides oh le fluide primaire est constitué par un métal liquide généralement du sodium, ce métal liquide, après avoir acquis des calories à la traversée du coeur du réacteur, étant admis dans l'échangeur puis après s 'être écoulé et refroidi au contact des tubes de circulation répartis dans la virole externe, étant repris par des pompes qui le renvoient vers le coeur pour un nouveau passage à travers celui-ci.Dans un tel échangeur, le fluide secondaire est également constitué par un métal liquide, habituellement de même nature que le fluide primaire, qui circule à l'intérieur des tubes de l'échangeur, entre un collecteur d'admission et un collecteur d'évacuation, raccordés respectivement aux extrémités de ces tubes. Avantageusement, les fluidesprimaire et secondaire circulent dans l'échangeur à contre-courant. A titre indicatif, un échangeur de ce genre est notamment décrit et revendiqué dans la demande de brevet nO 76 09082 du 29 mars 1976 au nom du Commissariat à l'Energie Atomique pour "Réacteur nucléaire à neutrons rapides". Dans un échangeur du type mentionné ci-dessus, les tubes de circulation sont disposés verticalement et raccordés à des plaques d'extrémité, dites plaques à tubes, délimitant partiellement les collecteurs d'admission et d'évacuation du fluide secondaire, l'alimentation du collecteur d'admission s'effectuant au moyen d'une série de conduits répartis selon le contour extérieur de l'échangeur. Or, dans une telle réalisation, l'obturation in situ des tubes fuyards du faisceau entrain un encombrement important de l'échangeur en raison de l'espace qulil faut laisser libre pour le passage du dispositif d'obturation. Par ailleurs, la rupture d'un ou plusieurs tubes du faisceau conduit à un mélange du fluide primaire radioactif et contaminé avec le fluide secondaire inactif, ce qui a pour conséquence la mise hors service de l'échangeur. La présente invention concerne un perfectionnement apporté aux échangeurs thermiques annulaires du genre rappelé ci-dessus, qui permet de pallier l'inconvénient précité, en cas d'endommagement d'un ou de plusieurs des tubes du faisceau. A cet effet, l'échangeur considéré se caractérise en ce que les tubes du faisceau sont répartis en groupes de tubes distincts, disposés chacun à l'intérieur d'une enveloppe particulière pour constituer dans la virole externe de l'échangeur, une série de modules adjacents, chaque module comportant un collecteur d'admission et un collecteur d'évacuation individuels, raccordés respectivement à un conduit d'alimentation et à un conduit de sortie du fluide secondaire. De préférence, les conduits d'alimentation et de sortie du fluide secondaire des collecteurs individuels des modules sont eux-mêmes raccordés à deux collecteurs communs, respectivement d'admission et d'évacuation, disposés à distance de l'échangeur. En particulier, dans le cas où l'échangeur est monté à l'intérieur de la cuve d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, en étant suspendu par sa virole externe sous une dalle de protection épaisse fermant cette cuve à sa partie supérieure, les collecteurs communs d'admission et d'évacuation sont disposés à l'extérieur de la cuve au-dessus de la dalle, elle-même traversée par les conduits d'alimentation et de sortie des collecteurs individuels. Ces collecteurs peuvent être de toute forme adaptée, annulaire ou sphérique. Selon une autre caractéristique, l'échangeur comporte un conduit central d'alimentation par le fluide primaire, ouvert à son extrémité supérieure de façon telle que ce fluide primaire parcoure ce conduit central de bas en haut et s'écoule ensuite de haut en bas au contact des tubes de circulation après pénétration dans chaque module par des fenêtres latérales ménagées eh regard dans les enveloppes particulières de chaque module, la sortie du fluide primaire hors de 1 'échangeur s'effectuant à l'extrémité inférieure de ces enveloppes par d'autres fenêtres latérales.Le conduit central comporte de préférence deux éléments tubuiaires s'emboitant avec jeu l'un dans ~ 'autre de manière à délimiter entre eux un espace rempli d'une lame de fluide primaire stagnante, surmontée d'un matelas de gaz neutre, réalisant l'isolation thermique et hydraulique entre le fluide primaire chaud à l'entrée dans l'échan- geur et le fluide primaire froid à ia sortie de celui-ci. Dans un premier mode de réalisation de l'échangeur, le conduit central se raccorde à son extrémité supérieureou- verte à un passage ménagé dans une plaque transversale solidarisée par sa périphérie avec la surface interne de la virole externe de l'échangeur, cette plaque étant traversée par les enveloppes particulières des modules répartis autour du conduit central dans cette virole. Le fluide primaire s'élevant dans ce conduit central est alors canalisé par cette plaque transversale vers les fenêtres d'entrée de chacun des modules où il s'écoule de haut en bas au contact des tubes de circulation du fluide secondaire. De préférence et dans le mode de réalisation ci-dessus, le conduit central d'alimentation est associé à un baffle s'étendant transversalement au-dessus de l'extrémité ouverte du conduit, ce baffle solidaire de la virole externe de l'échan- geur jouant le roule d'un déflecteur pour le fluide primaire, en dirigeant celui-ci vers les fenetres d'entrée dans les enveloppes particulières des modules. Par ailleurs et selon une caractéristique particulière, permettant en cas d'urgence au cours du fonctionnement de l'installation de mettre hors service l'échangeur dans sa totalité, le conduit central d'alimentation peut être placé sous une pression d'un gaz neutre pour stopper l'écoulement du fluide primaire dans les différents modules, en abaissant le niveau de ce fluide dans le conduit en dessous des fenêtres d'entrée dans ces modules. Dans une autre variante de réalisation de l'échangeur selon l'invention, l'enveloppe particulière de chaque module est associée à une tuyauterie raccordée à la fenetre d'entrée latérale du module, cette tuyauterie étant convenablement coudée pour plonger par son extrémité inférieure dans le conduit central ouvert à son extrémité supérieure, réalisant i'ali- mentation par le fluide primaire. De préférence et dans ce second mode de réalisation, chaque enveloppe particulière des modules est reliée à une canalisation d'admission individuelle d'un gaz neutre sous pression, débouchant dans la partie supérieure de l'enveloppe pour abaisser le niveau du fluide primaire sous la fenêtre d'entrée correspondante et stopper l'écoulement dans ce module du fluide primaire, en assurant ainsi, pour chaque module séparément, une possibilité d'isolation et de mise hors service, indépendamment du maintien en fonctionnement des autres modules. Selon une autre caractéristique, chaque tuyauterie associée à un module comporte une section en forme de secteur circulaire dont les côtés s'étendent radialement depuis l'enveloppe particulière du module vers le conduit central de telle sorte que celui-ci puisse recevoir l'ensemble des tuyauteries correspondant à la totalité des modules répartis autour de ce conduit. Avantageusement, le conduit central omporte axialement, au voisinage de l'extrémité des tuyauteries associées aux modules, un organe déflecteur permettant de répartir régulièrement le débit du fluide primaire dans chacune de ces tuyauteries. Enfin et quel que soit le mode de réalisation considéré, l'espace compris entre le conduit central et la virole externe à l'extérieur des enveloppes particulières des modules peut être placé sous pression de gaz pour isoler es enveloppes vis-à-vis du fluide primaire froid, à l'extérieur de la virole. D'autres caractéristiques d'un échangeur thermique annulaire établi conformément à l'invention, apparaltront encore à travers la description qui suit de deux exemples de réalisation, données à titre indicatif et non imitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vne schemaque en coupe transversale d'un premier mode de réalisation de I - la Fig. 2 est une vue en coupe transte sate à plus grande échelle de échangeur selon la Tiglwe Il-Il de la Fig. 1 ;; - la Fig. 3 est une vue schématique d'une autre variante de réalisation - la Fig. 4 est une vue en coupe partielle de la Fig. 3 selon la ligne IV-IV de cette dernière. Sur la Fig. 1, la référence 1 désigne la paroi laté- rale de la cuve principale d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, cette cuve contenant notamment un volume convenable d'un métal liquide, habituellement du sodium, jouant le rôle de fluide primaire. La cuve 1 est suspendue par sa partie supérieure 3 sous une dalle de protection épaisse 4, s'étendant horizontalement au-dessus du niveau du métal liquide 2 dans la cuve et fermant cette dernière. A l'intérieur de la cuve principale 1 est prévue une seconde cuve 5 cylindrique, entourant le coeur 6 du réacteur et permettant de séparer le métal liquide chaud recueilli dans cette cuve à la sortie du coeur et le métal liquide froid restitué à la sortie d'échangeurs de chaleur dans la région 7 entre les cuves 1 et 5. Dans l'exemple de réalisation considéré, l'échangeur représenté sur la Fig. 1 désigné par son ensemble sous la référence 8, comporte une virole cylindrique externe -9 dont la partie supérieure s'étend au travers de la dalle 4 de telle sorte que l'échangeur soit suspendu sous cette dernière, cette virole 9 étant fermée par un bouchon épais 10, assurant la continuité de la dalle. Selon l'invention, l'échangeur est constitué au moyen d'une série de modules identiques adjacents, répartis de façon circonférentielle à l'intérieur de la virole 9, chacun de ces modules comportant une enveloppe cylindrique 12 (Fig. 2), à l'intérieur de laquelle sont répartis, selon des faisceaux séparés, des tubes de circulation 13, s'étendant verticalement. Dans chaque module, ces tubes 13 sont raccordés à leurs extrémités à deux plaques à tubes parallèles, respectivement 14 et 15, associées à deux boitiers 16 et 17 délimitant avec ces plaques, des collecteurs 18 et 19 respectivement, réservés à l'admission et à l'évacuation dans chacun des modules d'un fluide secondaire parcourant les tubes 13 par 1 'intérieur de ces derniers. Le fluide primaire, provenant de la region interne de la cuve 5 de la manière qui sera explicitée plus loin, est introduit à l'intérieur de chacun des modules de l'échangeur 8 au moyen de fenetres d'entrée 20, ménagées dans les enveloppes cylindriques 12 des différents modules 11. Le fluide primaire circule ainsi au contact des tubes 13 et à l'extérieur de ceux-ci. Avantageusement, l'admission du fluide primaite s'effectue dans l'exemple de réalisation considéré au moyen d'un conduit central 21 réalisé en deux parties, dont la première 22 se prolonge à l'extérieur de l'échangeur par un coude 23 raccordé à un orifice 24 ménagé dans la cuve 5 contenant le coeur 6 du réacteur. La seconde partie 25 du conduit 21 est ouverte à son extrémité supérieure et comporte un épanouissement 26. L'échangeur comporte également au-dessus de l'épanouissement 26 du conduit d'alimentation axial 21, un déflecteur transversal 27, raccordé à sa périphérie sur la virole externe 9 de l'échangeur, ce déflecteur étant lui-meme traversé par les enveloppes 12 des modules 11.Sous ce déflecteur 27, du côté opposé aux fenêtres d'entrée 20, est disposée une plaque transversale annulaire 28, fermant l'espace compris entre la virole 9 et les enveloppes 12 afin d'éviter que le fluide primaire ne s'écoule à l'extérieur de ces enveloppes. L'extrémité de 1 'épanouissement 26 est solidarisée en 29 de la plaque annulaire 28 au niveau de chacune des fenetres d'entrée =o. Grâce aux dispositions précédentes, le fluide primaire chaud sortant du coeur 6, recueilli à l'intérieur de la cuve 5, s'écoule dans cette dernière et selon le sens des flèches doubles 30 d'abord dans la région 31 puis de là vers le coude 23 du conduit d'alimentation central 21. A l'extré- mité supérieure de celui-ci, le fluide primaire pénètre dans les modules d'échangeur Il par les fenetres d'entrée 20 et circule de haut en bas au contact des tubes 13 pour finalement sortir des enveloppes 12 par d'autres fenêtres 32 prévues à la partie inférieure de celles-ci. Inversement, le fluide secondaire circule à l'intérieur des tubes 13 à contre-courant du fluide primaire, c 'est-à-dire du bas vers le haut, les collecteurs inférieurs 18 de chacun des modules étant alimentés par une série de conduits 33 verticaux, répartis autour des modules à l'intérieur de la virole 9 Le fluide secondaire est ensuite recueilli à la sortie des tubes 13 dans les collecteurs 19 d'où il est finalement évacué par des conduits 34. Les conduits d'alimentation et d'évacuation 33 et 34 respectivement de chacun des modules de i'échanger, traversent la dalle supérieure 4 dans le bouchon 10, fermant la virole 9 par des passages, respectivement 35 et 36, dont l'étanchéité vis-à-vis de l'atmosphère extérieure est assurée par des soufflets 37 ou 38 ou autres moyens analogues. Ces conduits 33 et 34 sont alors réunis à deux collecteurs, respectivement 39 et 40, situés à l'extérieur de la cuve 1 au-dessus de la dalle 4, ces collecteurs 39 et 40 étant communs à l'ensemble des modules 11. La circulation du fluide secondaire est schématisée sur le dessin par les flèches 41.Enfin, dans le jeu 42 ménagé entre les deux parties 22 et 26 du conduit d'alimentation central 21, est avantageusement emprisonné un matelas de gaz neutre approprié, permettant d'isoler le fluide primaire chaud s'écoulant dans le conduit 21 d'une part, et le fluide primaire froid sortant des modules de l'échangeur par les fenôtres 32 d'autre part, en maintenant en fonctionnement dans la virole 9 à l'extérieur des enveloppes 12, le niveau du fluide primaire en partie basse de l'échangeur.A noter qu'une pression de gaz neutre peut également être créée à l'intérieur même du conduit 21 pour amener le niveau du fluide primaire sous l'entrée des fenêtres 20, pour arrêter en cas d'incident ltécoulement de ce fluide primaire dans l'échangeur à travers la totalité des modules Les Fig. 3 et 4 illustrent une autre variante de réalisation de l'échangeur, sur lesquelles on a repris les mêmes chiffres de références pour désigner des organes semblables.Dans ce cas notamment, on retrouve le conduit central d'alimentation 21, entouré dans la virole externe 9, par les modules d'échangeurs comportant chacun une enveloppe particulière 12 et un faisceau de tubes de circulation du fluide secondaire, raccordés à des collecteurs individuels 18 et 19 pour chacun des modules, ces collecteurs étant eux-mêmes réunis par des conduits 33 et 34 à deux collecteurs communs 39 et 40 situés au-dessus de la dalle 4, ces derniers étant ici,non plus annulaires comme dans le premier mode de réalisation, mais sphériques, l'une ou l'autre de ces deux solutions pouvant d'ailleurs être adoptée. Dans la variante considérée, les fenêtres d'entrée 20 du fluide primaire, prévues dans chacune des enveloppes 12, sont réunies à des tuyauteries 50 qui comportent chacune un coude 51 et une extrémité ouverte inférieure 52 plongeant dans le conduit central 21 au delà de ltextrémlté ouverte supérieure 53 de celui-ci, sous le niveau du fluide primaire dans le jeu 42. Ce fluide primaire est ainsi refoulé du conduit 21 dans chacune de ces tuyauteries pour alimenter séparément chaque module selon le sens des flèches 30. Avantageusement, un déflecteur 54 est .on- dans l'axe du conduit 21 pour répartir de façon homogène le débit dans chacune des tuyauteries 50. La Fig. 4montre le profil en section droite de chacune des tuyauteries précédentes, comportant des côtés s'étendant radialement du module vers le conduit central, pour permettre grâce à leur forme de secteurs circulaires, de se répartir côte à côte dans le conduit 21. Chaque module est donc totalement indépendant du fonctionnement des autres modules, ce qui permet de l'isoler sans avoir à arrêter en totalité l'échangeur. A cet effet, chaque enveloppe particulière 12 est raccordée à une canalisation 55 permettant d'introduire dans l'enveloppe une pression de gaz appropriée pour abaisser le niveau du fluide primaire sous la fenêtre 20 correspondante, en mettant le module hors service.Par ailleurs et comme dans ia première variante, la région disposée entre les enveloppes 12 et la virole 9 peut être également placée sous pression de gaz pour isoler l'échangeur vis-à-vis du fluide primaire froid extérieur. On réalise ainsi un échangeur thermique annulaire de conception modulaire, permettant en particulier d'isoler facilement les modules, soit ensemble, soit séparément, vis-àvis du fluide primaire aussi bien que du fluide secondaire, par exemple lorsqu'il s'agit de procéder à la réparation d'un tube défectueux, ceci sans avoir à arrêter le fonctionnement complet de l'échangeur et notamment sans avoir a intervenir sur les modules voisins. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas aux seuls exemples de réalisation plus spécialement décrits et représentés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique annulaire, comportant un faisceau de tubes de circulation parallèles s'étendant verticalement, ces tubes baignés extérieurement par un fluide primaire et parcourus intérieurement par un fluide secondaire échangeant mutuellement des calories, étant répartis de façon circonférentielle à I'intérieur d'une virole cylindrique externe délimitant l'échangeur, caractérisé en ce que les tubes du faisceau sont répartis en groupes de tubes distincts, disposés chacun à l'intérieur d'une enveloppe particulière pour constituer dans la virole externe de l'échangeur, une série de modules adjacents, chaque module comportant un collecteur d'admission et un collecteur d'évacuation individuels, raccordés respectivement à un conduit d'alimentation et à un conduit de sortie du fluide secondaire. 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les conduits d'alimentation et de sortie du fluide secondaire des collecteurs individuels des modules sont eux-mêmes raccordés à deux collecteurs communs respectivement d'admission et d'évacuation, disposés à distance de l'échangeur. 3. Echangeur thermique selon la revendication 2, monté à l'intérieur de la cuve d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, en étant suspendu par sa virole externe sous une dalle de protection épaisse fermant cette cuve à sa partie supérieure, caractérisé en ce que les collecteurs communs d'admission et d'évacuation sont disposés à l'extérieur de la cuve au-dessus de la dalle, elle-même traversée par les conduits d'alimentation et de sortie des collecteurs individuels. 4. Echangeur thermique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les collecteurs communs de fluide secondaire sont annulaires ou sphériques. 5. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce qutil comporte un conduit central d'alimentation par le fluide primaire, ouvert à son extrémité supérieure de façon telle que ce fluide primaire parcoure le conduit axial de bas en haut et s'écoule ensuite de haut en bas au contact des tubes de circulation après pénétration dans chaque module par des fenêtres latérales ménagées en regard dans les enveloppes particulières de chaque module, la sortie du fluide primaire hors de l'échangeur s'effectuant à 1 'extré- mité inférieure de ces enveloppes par d'autres fenêtres latérales. 6. Echangeur thermique selon la revendication 5, carac térisé en ce que le conduit central comporte deux éléments tubulaires stemboitant avec jeu l'un dans l'autre de manière à délimiter entre eux un espace rempli d'une lame de fluide primaire stagnante, surmontée d'un matelas de gaz neutre, réalisant l'isolation thermique et hydraulique entre le fluide primaire chaud à entrée dans l'échangeur et le fluide primaire froid à la sortie de celui-ci. 7. Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le conduit central se raccorde à son extrémité supérieure ouverte à un passage ménagé dans une plaque transversale solidarisée par sa périphérie avec la surface interne de la virole externe de l'échangeur, cette plaque étant traversée par les enveloppes particulières des modules répartis autour du conduit central dans cette virole. 8. Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le conduit central d'alimentation est associé à un baffle s'étendant transversalement au-dessus de l'extrémité ouverte du conduit, ce baffle solidaire de la virole externe de l'échangeur jouant le rôle d'un déflecteur pour le fluide primaire, en dirigeant celui-ci vers les fenêtres d'entrée dans des enveloppes particulières des modules. 9. Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le conduit central d'alimentation est placé sous une pression d'un gaz neutre pour stopper l'écoulement du fluide primaire dans les différents modules, en abaissant le niveau de ce fluide dans le conduit en dessous des fenêtres d'entrée dans ces modules. 10. Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enveloppe particulière de chaque module est associée à une tuyauterie raccordée à la fenêtre d'entrée latérale du module, cette tuyauterie étant convenablement coudée pour plonge-r par son extrémité inférieure dans le conduit central ouvert à son extrémité supérieure, réalisant l'alimentation par le fluide primaire. 11. Echangeur thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque enveloppe particulière des modules est reliée à une canalisation d'admission individuelle d'un gaz neutre sous pression, débouchant dans la partie supérieure de l'enveloppe pour abaisser le niveau du fluide primaire sous la fenêtre d'entrée correspondante et stopper l'écoulement dans ce module du fluide primaire. 12. Echangeur thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que chaque tuyauterie associée à un module comporte une section en forme de secteur circulaire dont les ôtés s'étendent radialement depuis l'enveloppe particulière du module vers le conduit central. 13. Echangeur thermique selon la revendication 10, caractérisé en ce que le conduit central comporte axialement au voisinage de l'extrémité des tuyauteries associées aux modules, un organe déflecteur permettant de répartir régulièrement le débit du fluide primaire dans chacune de ces tuyauteries. 14 Echangeur thermique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'espace compris entre le conduit central et la virole de l'échangeur à l'extérieur des enveloppes particulières des modules est placé sous pression d'un gaz pour isoler ces enveloppes vis-à-vis du fluide primaire froid à l'extérieur de la virole.