Brevet FR2477692A1 — publié le 19810911

La présente invention se rapporte aux réacteurs nucléaires à neutrons rapides, dans lesquels le refroi- dissement du coeur est assuré par circulation continue d'un métal liquide, habituellement du sodium, contenu à l'intérieur d'une cuve principale o est immergé le coeur, les calories acquises par le métal liquide à la traversée de ce dernier au contact des assemblages étant transférées à un fluide secondaire, également du sodium, parcourant intérieurement les tubes d'un échangeur inter- médiaire plongeant dans la cuve, le métal liquide de re- froidissement du coeur jouant le rôle de fluide primaire circulant à l'extérieur de ces tubes, en relation d'échange thermique avec le fluide secondaire. De façon connue, le fluide secondaire qui est ainsi échauffé, est ensuite renvoyé à l'extérieur de la cuve du réacteur vers un générateur apte à fournir de la vapeur d'eau sous pression directement détendue dans une installation de production d'électricité. La présente invention se rapporte plus particu- lièrement à un aménagement de la structure interne d'un tel échangeur intermédiaire, comportant, de façon connue, une virole interne cylindrique à axe vertical, une virole externe coaxiale à la virole interne, deux plaques à tu- bes annulaires horizontales disposées au voisinage des extrémités supérieure et inférieure desdites viroles, un faisceau de tubes droits s'étendant entre les plaques à tubes selon des nappes cylindriques coaxiales aux viro- les, ces nappes étant entretoisées mutuellement par des ceintures transversales antivibratoires formées de ban- des horizontales portant des éléments cylindriques logés entre les tubes des nappes et en contact avec ceux-ci, des collecteurs d'admission et d'évacuation du fluide se- condaire circulant à l'intérieur des tubes étant respec- tivement prévus sous la plaque inférieure et au-dessus de la plaque supérieure, la virole interne formant conduit d'amenée du fluide secondaire au collecteur d'admission tandis que la virole externe est prolongée vers le haut par un conduit de sortie du même fluide secondaire re- cueilli dans le collecteur d'évacuation après passage dans les tubes, et au moins une fenêtre d'entrée et au moins une fenêtre de sortie prévues dans la virole exter- ne pour l'admission et l'évacuation, au voisinage des plaques à tubes, d'un fluide primaire échangeant des ca- lories avec le fluide secondaire à travers la paroi des tubes. Dans une structure classique de ce genre, le fluide primaire pénètre donc transversalement dans l'échangeur par la fenêtre d'entrée, en se répandant dans l'espace compris entre les viroles externe et interne, afin de circuler après un premier changement de direction sensiblement à 900 au contact des tubes du faisceau, l'écoulement s'effectuant sur la majeure partie de la longueur de ces tubes à contre-courant du fluide secon- daire, le fluide primaire subissant un second changement de direction à nouveau de 900 pour s'évacuer hors de l'échangeur par la fenêtre de sortie. On conçoit dès lors aisément que, par suite de ce double changement de direction, on puisse constater un écart notable des températures du fluide secondaire à la sortie des tubes du faisceau dans le collecteur d'évacua- tion, les nappes cylindriques de tubes disposées au plus près de la virole interne laissant sortir un fluide se- condaire plus froid que les nappes proches de la virole externe. Il en résulte une dilatation différentielle im- portante entre les viroles interne et externe, ce qui engendre des contraintes mécaniques élevées qui sont pré- judiciables à la bonne tenue de l'échangeur. La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur dans lequel on obtient une bonne répartition radiale de la circulation du fluide primaire, grâce à l'amélioration de l'alimentation de l'échangeur en fluide primaire. De façon plus précise, l'invention concerne un échangeur intermédiaire comportant une virole interne cy- lindrique à axe vertical, une virole externe coaxiale à la virole interne, deux plaques à tubes annulaires hori- zontales disposées au voisinage des extrémités supérieure et inférieure desdites viroles, un faisceau de tubes droits s'étendant entre les plaques à tubes selon des nappes cylindriques coaxiales aux viroles, ces nappes étant entretoisées mutuellement par des ceintures trans- versales antivibratoires formées de bandes horizontales portant des éléments cylindriques logés entre les tubes des nappes et en contact avec ceux-ci, des collecteurs d'admission et d'évacuation d'un fluide secondaire circu- lant à l'intérieur des tubes étant respectivement prévus sous la plaque inférieure et au-dessus de la plaque supé- rieure, la virole interne formant conduit d'amenée du fluide secondaire au collecteur d'admission, tandis que la virole externe est prolongée vers le haut par un con- duit de sortie du même fluide secondaire recueilli dans - le collecteur d'évacuation après passage dans les tubes, au moins une fenêtre-d'entrée et au moins une fenêtre de sortie prévues dans la virole externe pour l'admission et l'évacuation, au voisinage des plaques à tubes, d'un fluide primaire échangeant des calories avec le fluide secondaire à travers la paroi des tubes, caractérisé en ce que ledit échangeur comprend une plaque horizontale annulaire formant chicane disposée immédiatement en-des- sous de ladite fenêtre d'entrée, et n'occupant qu'une partie de la section horizontale de l'espace limité par lesdites viroles interne et externe, ladite plaque étant munie d'une pluralité d'orifices destinés, d'une part, au passage des tubes du faisceau et, d'autre part, à la cir- culation d'une partie du fluide primaire. Selon une première variante, lesdits orifices sont disposés exclusivement autour des tubes et ont un diamètre nettement supérieur au diamètre externe des tu- -2477692 bes, de telle sorte qu'ils assurent simultanément les deux fonctions décrites ci-dessus, à savoir le passage des tubes et la circulation d'une partie du fluide pri- maire. Selon une deuxième variante, la plaque comprend une première série d'orifices destinés au passage des tu- bes, de diamètre légèrement supérieur au diamètre externe des tubes et une deuxième série d'orifices disposés entre les orifices de passage des tubes et destinés à la circu- lation d'une partie du fluide primaire. Le diamètre des orifices dans la première va- riante et l'espacement et le diamètre de la deuxième- sé- rie d'orifices dans la deuxième variante peuvent être va- riables selon une direction radiale de l'échangeur, et ils sont déterminés en fonction de la perte de charge que l'on désire créer au moyen de la plaque annulaire. Dans l'une et l'autre de ces deux variantes, la fixation de la plaque formant chicane peut être effectuée selon l'un quelconque des deux modes de réalisation sui- vants. Selon un premier mode de réalisation, l'échan- geur se caractérise en ce que ladite plaque est fixée sur l'une desdites ceintures antivibratoires. Selon un deuxième mode de réalisation, l'échan- geur se caractérise en ce que ladite plaque est fixée sur des pièces radiales de support solidaires de tirants dis- posés suivant une nappe cylindrique coaxiale aux viroles. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de plusieurs va- riantes et modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées sur lesquelles on a représenté: - sur la figure 1, une vue en coupe verticale d'un échangeur de chaleur comportant le système de répar- tition selon une première variante et un premier mode de réalisation; sur la figure 2, une vue partielle en coupe selon le plan II-II de la figure 1, montrant une première variante de réalisation de l'échangeur, sur la figure 3, une vue partielle en coupe selon le plan II-Il de la figure 1, montrant une deuxième variante de réalisation de l'échangeur, et - sur la figure 4, une vue partielle en coupe verticale de la figure 1, mais montrant un second mode de réalisation du positionnement de la chicane. Sur la figure 1, la référence 1 désigne dans son ensemble, un échangeur intermédiaire selon l'inven- tion, destiné à être monté à l'intérieur d'une cuve (non représentée) d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, comportant notamment un redan transversal 2 traversé par le corps de l'échangeur. Ce redan délimite à l'intérieur de la cuve, deux régions, respectivement 3 et 4, la ré- gion 3 recevant le métal liquide de refroidissement sor- tant du coeur du réacteur, donc ayant acquis des calories au contact des assemblages, ce sodium, après traversée de l'échangeur intermédiaire 1, étant recueilli sous le re- dan 2 dans la région 4, à une température nettement infé- rieure, par suite de l'échange thermique réalisé dans l'échangeur avec un fluide secondaire. De préférence, les fluides primaire et secondaire sont constitués par du so- dium liquide. L'échangeur 1 se compose principalement d'une virole interne cylindrique 5, à axe vertical, et d'une enveloppe externe également cylindrique 6, coaxiale à la première, ces deux viroles étant réunies, respectivement au voisinage de leurs extrémités supérieure et inférieu- re, par deux plaques à tubes horizontales 7 et 8. Entre ces plaques 7 et 8, s'étendent les tubes 9 d'un faisceau de tubes droits, à l'intérieur desquels circule le fluide secondaire échangeant des calories avec le fluide primai- re, lui-même s'écoulant dans l'échangeur à l'extérieur des tubes 9. Dans le faisceau, les tubes 9 sont disposés L477692 en nappes cylindriques, coaxiales aux viroles. Les tubes 9 sont maintenus tout le long du faisceau par des ceintu- res transversales 10 antivibratoires lOa à iOn placées à intervalles réguliers. On peut voir le détail de l'une de -ces ceintures sur la vue partielle de la figure 2. A son extrémité inférieure, l'échangeur comporte un fond 11 qui délimite avec la plaque tubulaire 8 un collecteur d'ad- mission 12 pour le fluide secondaire, amené dans l'échan- geur par l'intérieur de la virole interne 5, cette der- nière comportant une extrémité inférieure ouverte 13. Le fluide secondaire ainsi admis à l'intérieur du collecteur 12 s'écoule dans les tubes 9 du faisceau et il est fina- lement recueilli dans un collecteur supérieur 14 délimité entre la virole interne 5 et- un prolongement 15 de la virole externe 6. Le fluide primaire chaud dans la région 3 pénè- tre à l'intérieur de l'échangeur intermédiaire par au moins une fenêtre d'entrée 17 formée dans la virole externe 6. Ce fluide primaire s'écoule alors de haut en bas au contact des tubes 9 du faisceau sur la majeure partie de la longueur de ces derniers, à contre-courant du fluide secondaire qui passe à l'intérieur de ces mêmes tubes du bas vers le haut. A la sortie de l'échangeur, le fluide primaire s'écoule hors de la virole externe 6 par au moins une fenêtre de sortie 18. Comme on le voit sur la figure 2, chaque cein- ture transversale antivibratoire 10 est constituée par des bandes horizontales concentriques 19 sur lesquelles sont soudés des éléments de tubes creux 20. Comme on l'a déjà indiqué, l'invention consiste à disposer à la partie supérieure de l'échangeur de cha- leur une plaque 22 formant chicane n'occupant qu'une par- tie de largeur e de l'espace annulaire compris entre l'enveloppe externe 6 et la virole interne 5, cette pla- que étant délimitée vers l'axe de l'échangeur par un re- bord interne circulaire 24. Selon une première variante de réalisation re- présentée sur la figure 2, la plaque 22 est percée d'ori- fices circulaires 26 pour permettre le passage des tubes 9, ces orifices étant d'un diamètre tel qu'un espace 28 est ménagé entre la paroi externe des tubes 9 et le bord de l'orifice 26, afin de permettre le passage d'une par- tie du débit de sodium primaire pénétrant dans l'échan- geur par la fenêtre d'entrée 17. La distribution radiale de l'écoulement du fluide primaire peut être réglée en faisant varier le diamètre des orifices 26. En revanche, les tubes occupant une position centrale qui sont réfé- rencés 9b ne traversent pas la plaque 22. Selon une deuxième variante de réalisation re- présentée sur la figure 3, la plaque 22 comprend deux séries d'orifices. Une première série d'orifices 26' est destinée, comme les orifices 26 dans la première varian- te, à permettre le passage des tubes 9. Cependant, à la différence de la première variante, et aux jeux de monta- ge près, ces orifices 26' ne laissent pratiquement pas d'espace entre leur bord et le tube 9 correspondant. Une deuxième série d'orifices 29, dont on peut choisir à vo- lonté, indépendamment de la disposition des tubes, l'es- pacement et le diamètre, permet d'obtenir la valeur de perte de charge désirée. Pour chacune des deux variantes ci-dessus, la fixation de la plaque formant chicane peut être effectuée selon l'un quelconque des deux modes de réalisation sui- vants. Selon le premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, la plaque 22 formant chicane est fixée sur la ceinture antivibratoire lOa, de telle manière que cette plaque 22 soit disposée immédiatement en- dessous de la fenêtre d'entrée 17. Selon un deuxième mode de réalisation représen- té sur la figure 4, la plaque formant chicane 22 est toujours disposée immédiatement en-dessous de la fenêtre d'entrée supérieure 17, mais cette plaque est fixée di- rectement sur plusieurs pièces de support 30 radiales so- lidaires de tirants 31 disposés coaxialement autour de la virole interne 5. Dans les deux modes de réalisation décrits, une ceinture antivibratoire 10'a peut être disposée en regard de la fenêtre d'entrée 17. La présence de la plaque formant chicane disposée immédiatement endessous de la fenêtre d'entrée, tout en assurant une bonne homogénéisation des débits de sodium dans la partie courante des tubes d'échange, pré- sente deux avantages supplémentaires. On uniformise la répartition des vitesses au niveau de la fenêtre d'en- trée, et on diminue ainsi les risques de mise en vibra- tions des tubes. En outre, la meilleure alimentation en sodium primaire de la -zone interne située en-dessous de la plaque tubulaire supérieure homogénise plus rapidement la température de cette plaque lors de certains régimes transitoires tels qu'un arrêt d'urgence par exemple. REVENDICATIONS 1. Echangeur intermédiaire comportant une vi- role interne cylindrique (5) à axe vertical, une virole externe (6) coaxiale à la virole interne (5), deux pla- ques à tubes annulaires horizontales (7, 8) disposées au voisinage des extrémités supérieure et inférieure desdi- tes viroles, un faisceau de tubes droits (9) s'étendant entre les plaques à tubes selon des nappes cylindriques coaxiales aux viroles, ces nappes étant entretoisées mu- tuellement par des ceintures transversales antivibratoi- res (10) formées de bandes horizontales (19) portant des éléments cylindriques (20) logés entre les tubes (9) des nappes et en contact avec ceux-ci, des collecteurs d'ad- mission (12) et d'évacuation (13) d'un fluide secondaire circulant à l'intérieur des tubes (9) étant respective- ment prévus sous la plaque inférieure (8) et au-dessus de la plaque supérieure (7), la virole interne formant con- duit d'amenée du fluide secondaire au collecteur d'admis- sion tandis que la virole externe (6) est prolongée vers le haut par un conduit de sortie (15) du même fluide secondaire recueilli dans le collecteur d'évacuation après passage dans les tubes, au moins une fenêtre d'en- trée (17) et au moins une fenêtre de sortie (18) prévues dans la virole externe (6) pour l'admission et l'évacua- tion, au voisinage des plaques à tubes, d'un fluide pri- maire échangeant des calories avec le fluide secondaire à travers la paroi des tubes (9), caractérisé en ce que ledit échangeur comprend une plaque horizontale annulaire (22) formant chicane disposée immédiatement en-dessous de ladite fenêtre d'entrée (17), et n'occupant qu'une partie de la section horizontale de l'espace limité par lesdites viroles interne (5) et externe (6), ladite plaque (22) étant munie d'une pluralité d'orifices (26, 26', 29) des- tinés, d'une part, au passage des tubes (9) du faisceau et, d'autre part, à la circulation d'une partie du fluide primaire. Z477692 2. Echangeur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits orifices (26) sont disposés ex- clusivement autour des tubes (9) et ont un diamètre net- tement supérieur au diamètre externe des tubes (9). 3. Echangeur selon la revendication 2, carac- térisé en ce que le diamètre des orifices (26) est varia- ble selon une direction radiale de l'échangeur. 4. Echangeur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ladite plaque (22) comprend une première série d'orifices (26') disposés autour des tubes (9) et ayant un diamètre légèrement supérieur au diamètre exter- ne des tubes (9) et une deuxième série d'orifices (29) disposés entre les orifices (26') de la première série. 5. Echangeur selon la revendication 4, caracté- risé en ce que l'espacement et le diamètre des orifices (29) de la deuxième série sont variables selon une direc- tion radiale de l'échangeur. 6. Echangeur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite plaque (22) est fixée -sur l'une desdites ceintures transversales (10a). 7. Echangeur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que ladite plaque (22) est fixée sur plusieurs pièces radiales de support (30) solidaires de tirants (31) disposés suivant une couronne coaxiale aux viroles (5, 6).