Brevet FR2480615A1 — publié le 19811023

Piège radial à froid. L'invention décrite ci-après a été faite ou conçue sous le n0 de contrat EY-76-C-OZ-3045-M conclu avec le Ministère de l'Energie des Etats-Unis d'Amérique. La présente invention se rapporte à un appareil pour éliminer les impuretés d'un métal liquide et plus particulièrement pour élimi- ner les impuretés du métal liquide dans un réacteur surrégénérateur rapide. Pour réaliser un bon fonctionnement des systèmes à métal liquide circulant à haute température, qu'il s'agisse d'un réacteur surrégénérateur rapide à métal liquide ou d'une installation plus pe- tite d'exploitation, on admet que le métal liquide doit présenter une grande pureté, en particulier en ce qui concerne l'oxygène. Afin de maintenir le métal liquide dans un état de grande pureté, on utilise gé- nèralement le concept du piège à froid. L'action de piégeage à froid est basée sur la solubilité décroissante des impuretés en fonction de l'abais- sement de la température. Dans un piège à froid caractéristique, le cou- rant de métal liquide est refroidi au fur et à mesure de son passage dans un système auxiliaire qui comprend une cuve dans laquelle les impuretés sont précipitées et maintenues sous forme de phases solides. Deux pro- priétés au moins sont souhaitables pour les pièges à froid: tout d'abord le piège doit éliminer les impuretés à ou au voisinage du débit maximum théoriquement possible, et ensuite une proportion élevée du volume du piège doit pouvoir être utilisée pour le stockage des impuretés. Dans un piège à froid classique, le métal liquide venant d'un échangeur de chaleur entre à la partie supérieure du piège et s'écoule vers le bas à travers l'anneau extérieur ou "déversoir". Le sens d'écou- lement s'inverse à la partie inférieure du piège à froid et le métal liquide entre à l'extrémité d'un volume cylindrique garni de toile métallique. Le métal liquide subit ensuite un écoulement ascendant dans le cylindre et, à l'extrémité de ce dernier, il s'engage dans un tuyau de sortie. En rè- gle générale, la germination du précipité se produit en grande partie sur les surfaces froides du piège à froid. Cette germination est parfois appelée "germination hétérogène'. Une fois que la germination a ainsi commencé, les germes peuvent continuer à croître. Ce processus est commandé par la concentration excessive du soluté au-dessus de la solu- bilité de saturation à la température donnée, autrement dit la "sursatu- ration". Les pièges à froid caractéristiques sont refroidis extérieure- ment, la région du déversoir jouant le rôle d'un échangeur de chaleur. Bien que la différence de température ne soit pas généralement impor- tante le long du piège à froid, la partie inférieure de celui-ci est néan- moins la région normalement la plus froide. Par conséquent, la germi- nation et la croissance des précipités peuvent avoir lieu sur la paroi ex- térieure de la cuve et sur la partie inférieure du piège à froid, comme on l'a observé en examinant des pièges à froid usagés. Dans les concep- tions classiques, la surface étendue de la partie d'entrée de la toile mé- tallique est située également dans la région la plus froide. La germina- tion et la croissance des germes se produiront donc dans cette région. Cependant, deux facteurs freinent l'extension de la germination et de la croissance des germes dans la partie aval de la toile métallique. Tout d'abord, la croissance des germes à l'entrée de la toile métallique se produit lors du passage du courant de métal liquide impur, mais ceci diminue le degré de sursaturation du courant. Par conséquent, une ger- mination ultérieure sur les surfaces en aval devient moins probable. Ceci est particulièrement vrai du fait que la germination exige un degré de sursaturation plus élevé que celui qui est nécessaire à la croissance de germes existants. Ensuite, les tendances à la germination et à la croissance des germes sont accrues par le rôle d'échange de chaleur joué par le déversoir du piège à froid. Dans un piège à froid caractéris- tique, le courant de fluide subit un certain réchauffement lorsqu'il tra- verse la toile métallique, du fait de sa position contiguë à la région du déversoir dans laquelle passe le courant de liquide chaud. Par conséquent, le courant de liquide s'écoulant vers le haut subit un certain réchauffement au fur et à mesure qu'il traverse la toile métallique et, de ce fait, le de- gré de sursaturation est encore réduit. Pour ces raisons, la croissance des germes se limite généralement à une faible proportion du volume de toile métallique, à l'entrée du piège à froid. Dans ces circonstances, le chemin d'écoulement devient en définitive réduit et le piège à froid se colmate, même si une faible proportion seulement de son volume est remplie d'impuretés. Un autre inconvénient des pièges à froid de conception classique réside dans la tendance au bouchage du tuyau de sortie du piège à froid. Comme on l'a décrit précédemment, dans les pièges. à froid de concep- tion classique, les mécanismes d'élimination des impuretés se produi- sent généralement à l'entrée de la zone de toile métallique, ces méca- nismes d'élimination des impuretés n'étant pas efficaces au voisinage de l'extrémité de cette zone. Puisqu'un certain degré de sursaturation sub- siste généralement lorsque l'écoulement de fluide s'approche de la sor- tie du piège à froid et puisque la germination est accrue par une augmen- tation de turbulence de l'écoulement, la brusque augmentation de turbu- lence du courant de fluide à l'entrée d'un tuyau étroit de sortie peut suf- fire à produire une germination hétérogène à partir de la germination résiduelle. Par conséquent, la germination peut avoir lieu dans le tuyau de sortie. Du fait qu'un léger degré de sursaturation existe en ce point, les nouveaux germes peuvent se mettre à croître et le tuyau peut être bouché relativement vite. La présente invention a donc pour objet principal de fournir un piège à froid pour métal liquide dans lequel une plus grande partie du volume du piège à froid peut être utilisée pour éliminer les impuretés du métal liquide. En raison de cet objet, la présente invention consiste en un piège à froid pour éliminer les impuretés d'un courant de métal liquide; ce piège à froid comprenant un corps avec des tubulures d'entrée et de sor- tie du métal liquide, se caractérise en ce que plusieurs bandes annulai- res de toile métallique sont disposées concentriquement à l'intérieur de ce corps, les tubulures d'entrée et de sortie étant placées de telle sorte que le courant de métal liquide traverse successivement et à peu près radialement chacune des bandes de toile métallique, permettant à ces dernières de retenir les impuretés. La tubulure d'entrée est montée à la périphérie extérieure du corps, tandis que la tubulure de sortie est fixée à la partie intérieure du corps, de sorte que le courant de fluide traverse successivement chaque bande de toile métallique. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la des- cription suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans les- quels - la figure 1 est une vue en coupe verticale du piège radial à froid; et -- la figure 2 est une vue en plan du piège radial à froid. Comme le représentent les figures, le piège radial à froid, dési- gné par la référence générale 10, comprend un corps 12 de forme circu- laire. Une tubulure d'entrée 14 est montée à la périphérie extérieure du corps 12, tandis qu'une tubulure de sortie 16 est fixée sur la chambre de sortie 18. Cette dernière est montée sur le corps 12, au centre de celui- ci. Un déflecteur d'entrée 20, qui peut être un élément métallique circu- laire percé d'orifices 22, est disposé dans le corps 12 de manière à for- mer une chambre annulaire 24 d'entrée qui entoure circonférentiellement la partie interne du corps 1Z. Les diamètres des orifices 22 du déflec- teur d'entrée 20 peuvent varier progressivement afin d'assurer une ré- partition uniforme de l'écoulement du fluide à la sortie de la chambre 24 d'entrée. Une première bande 26 de toile métallique, qui peut être un tronçon annulaire de garniture en toile d'acier inoxydable, est disposée contre la paroi intérieure du déflecteur d'entrée 20, à l'intérieur du corps 12. Une deuxième bande 28 de toile métallique, qui peut être éga- lement un tronçon annulaire de garniture en toile d'acier inoxydable, est disposée également à l'intérieur du corps 12, contre la périphérie inté- rieure de la première bande 26 de toile métallique. De même, une troi- sième bande 30 de toile métallique est placée contre la périphérie inté- rieure de la deuxième bande 28 de toile métallique, tandis qu'une qua- trième bande 32 de toile métallique est disposée contre la périphérie intérieure de la troisième bande 30 de toile métallique-et autour de la chambre 18 de sortie. Comme on peut s'en rendre compte, les diverses bandes de toile métallique forment une disposition annulaire circulaire de bandes successives de toile métallique à l'intérieur du corps 12. Cha- que bande successive de toile métallique présente généralement une sur- face annulaire plus petite en coupe transversale et une garniture plus serrée. De cette manière, la surface spécifique de toile métallique aug- mente depuis la bande extérieure jusqu'à la bande intérieure de toile me- tallique. En se reportant encore aux dessins, on verra qu'une chambre supérieure 34 à gaz, qui peut être disposée en anneau autour de la tubu- lure de sortie 16, est fixée à la partie supérieure du corps 12. De même une chambre inférieure 36 à gaz est montée sur le fond du corps 12. Un tuyau supérieur 38 d'arrivée de gaz est relié à la chambre supérieure 34 à gaz, tandis qu'un tuyau inférieur 40 d'arrivée de gaz est branché sur la chambre inférieure 36 à gaz pour introduire un gaz de refroidissement ( ou un liquide de refroidissement) dans la chambre supérieure 34 à gaz et dans la chambre inférieure 36 à gaz. Une conduite supérieure annu- laire 42 de gaz est montée sur le corps 12 et se prolonge depuis la cham- bre de sortie 18 jusqu'au voisinage du déflecteur d'entrée 20, de manière à recouvrir une portion importante de la partie supérieure du corps 12 dans laquelle sont disposées les bandes de toile métallique. L'extrémité intérieure de la conduite supérieure 42 de gaz est fixée à la chambre supérieure 34 à gaz et cette conduite 42 de gaz présente plusieurs orifi- ces de sortie 44 percés au voisinage de son bord extérieur. De même, une conduite inférieure 46 de gaz, percée d'orifices de sortie 48, est fixée sur le fond du corps 12 et à la chambre inférieure 36 à gaz. La conduite supérieure 42 de gaz et la conduite inférieure 46 de gaz sont prévues pour conduire un gaz de refroidissement le long de la partie extérieure du corps 12 afin de refroidir les diverses bandes de toile métallique disposées à l'intérieur du corps 12. Puisque le refroidisse- ment du métal liquide accélère la précipitation des impuretés dans celui- ci, le gaz de refroidissement fournit un mécanisme qui permet de réguler la vitesse et la répartition radiale de la précipitation des impuretés. Selon la conception particulière du piège radial à froid, la conduite supé- rieure 42 de gaz et la conduite inférieure 46 de gaz peuvent ne pas se prolonger sur toutes les bandes de toile métallique disposées à l'inté- rieur du corps 12. De cette manière, on peut effectuer un refroidisse- ment sélectif des diverses bandes de toile métallique. 24806 15 En outre, des radiateurs électriques 50 et un isolement 52 peu- vent être fixés à la conduite supérieure 42 de gaz et à la conduite infé- rieure 46 de gaz. Ces radiateurs électriques 50 peuvent être prévus pour réchauffer sélectivement le piège radial à froid 10 soit au démar- rage, soit à divers moments pendant le fonctionnement, afin de réaliser une répartition radiale choisie des températures dans la garniture en toile métallique. Les radiateurs 50 peuvent également être utilisés pour réchauffer d'autres parties du piège radial à froid 10 telles que la cham- bre 24 d'entrée ou la chambre 18 de sortie. L'isolement 52 est prévu pour isoler le piège radial à froid 10 de l'environnement afin de mainte- nir la température choisie de la garniture en toile métallique dans le piège radial à froid 10. Pour un piège radial expérimental à froid de 56, 78 1/min cons- truit suivant la présente invention, les bandes de toile métallique peuvent être en acier inoxydable, la bande extérieure ayant une épaisseur radiale de 30,48 cm, la bande suivante une épaisseur radiale de 17, 78 cm, la troisième bande une épaisseur radiale de 11, 43 cm et la bande intérieure une épaisseur radiale de 6, 35 cm. Alors que l'épaisseur radiale de cha- que bande successive diminue de la bande extérieure à la bande inté- rieure, la surface spécifique de la toile métallique augmente. Ainsi, lorsque le fluide traverse le piège radial à froid, on peut s'attendre à ce que chaque bande retienne des impuretés. Dans un autre exemple de réalisation de piège radial à froid, les bandes de toile métallique peuvent avoir les surfaces spécifiques suivantes de la bande extérieure à la bande intérieure bande extérieure ou bande 1 19, 684 dm /dm bande 2: 34, 447 " / " bande 3: 57, 412 "/ bande intérieure ou bande 4 93, 500 " / " En fonctionnement, les radiateurs électriques 50 peuvent être alimentés pour établir une température correcte de fonctionnement du piège à froid, qui peut être d'environ 1210 C. Une fois que la température correcte de fonctionnement du piège radial à froid 10 a été ainsi établie, le fluide qui peut être du sodium liquide est introduit par la tubulure d'entrée 14. Venant de cette dernière, le fluide pénètre dans la chambre d'entrée 24 et entoure le détecteur d'entrée 20. Le fluide passe ensuite par les orifices 22 du déflecteur d'entrée 20 et pénètre dans la première bande 26 de toile métallique. Il traverse ensuite successivement la deuxième bande Z8 de toile métallique, la troisième bande 30 et la quatrième bande 32. A la sortie de la quatrième bande 32, le fluide pénètre dans la cham- bre de sortie 18 et s'écoule par la tubulure de sortie 16 pour revenir au circuit principal de fluide. Pendant que le fluide traverse le piège radial à froid 10, un gaz de refroidissement qui peut être l'azote, à environ 26, 7 C, peut être introduit par le tuyau supérieur 38 d'arrivée de gaz et le tuyau inférieur 40 d'arrivée de gaz dans la chambre supérieure 34 à gaz et dans la chambre inférieure 36 à gaz. Le gaz de refroidissement passe ensuite dans la conduite supérieure 42 de gaz et dans la conduite inférieure 46 de gaz, et sort par les orifices de sortie 44 et 48. De cette manière, on peut réaliser un refroidissement sélectif du corps 12 afin de refroidir les bandes de toile métallique disposées à l'intérieur du corps 12. Le piège radial à froid qui vient d'être décrit, élimine de nom- breux inconvénients des pièges à froid de conception classique. La con- ception radiale du piège à froid permet de réaliser, par exemple, une plus grande surface d'entrée. par rapport au volume total du piège à froid, de manière à permettre l'utilisation d'un volume plus grand de l'ensemble du piège à froid. Un autre avantage du piège à froid de con- ception radiale réside dans le fait que la surface spécifique de la toile métallique augmente de l'extérieur vers l'intérieur du piège, le long du trajet d'écoulement. La surface spécifique est généralement définie comme étant la surface de la toile métallique divisée par le volume to- tal de la bande. L'accroissement de la surface spécifique augmente la proportion de la surface de la toile métallique par unité de volume au fur et à mesure qu'on se rapproche de la sortie. Ceci est réalisé par la série d'anneaux garnis de toile métallique de plus en plus serrée. Cette disposition permet d'obtenir une surface moindre à l'entrée du piège à froid, là o la sursaturation est la plus élevée. Du fait d'une surface moindre à l'entrée, un plus petit nombre de germes peuvent se former à l'entrée, ce qui permet une plus grande sursaturation en aval de la zone d'entrée. De cette manière, on obtient une répartition plus uniforme des germes dans les bandes de toile métallique, au lieu d'avoir une forte concentration de germes à l'entrée. A cause de cette répartition plus uniforme des germes dans les bandes de toile métallique, on peut réaliser dans le piège à froid une répartition plus uniforme de la croissance des germes. La forme de construction aplatie du piège radial à froid permet d'appliquer à ce dernier un refroidissement symétrique, ce qui présente les avantages suivants: 1) le refroidissement est appliqué aussi directe- ment que possible à la toile métallique, plutôt qu'à la région du déver- soir comme dans le piège a froid classique; 2) à la différence du piège à froid classique, la température chute dans la toile métallique dans le sens de l'écoulement du fluide, ce qui tend à maintenir la sursaturation malgré la précipitation d'impuretés; 3) le refroidissement direct n'est pas appliqué aux régions dans lesquelles la précipitation n'est pas re- quise, telles que la surface verticale de la région annulaire d'écoule- ment; 4) les surfaces verticales du piège radial à froid sont libérées, permettant d'y fixer de petits radiateurs qui peuvent être utilisés pour créer un gradient local de température qui est encore moins favorable à la précipitation d'impuretés sur les parois du corps; 5) aucun refroi- dissement direct n'est appliqué à l'écoulement de sortie du fluide; et 6) sur les surfaces du piège à froid au voisinage de la sortie de ce der- nier, on peut fixer de petits radiateurs qui fournissent un réchauffage local du fluide, empêchant toute précipitation dans le tuyau de sortie. Du fait que le rendement du piège à froid est défini comme étant la fraction de la sursaturation à l'entrée que le piège est capable d'éli- miner, on peut s'attendre à ce que le piège radial à froid ait un rende- ment plus élevé que le piège à froid classique. Alors que le temps de séjour du sodium dans le piège à froid peut être considéré comme une mesure du rendement du piège à froid, on peut estimer que le temps passé dans des régions oh ne se produit aucune précipitation, ne doit pas être compris dans le temps de séjour. Il est donc évident que seul le temps de séjour effectif est le temps passé au voisinage des cristaux de soluté. Puisque, dans les pièges à froid classiques, les régions d'aval n'ont pas de précipité, ces régions ne possèdent aucune capacité effective d'élimination des impuretés, bien qu'elles augmentent le tenmps de séjour. Cependant, dans le piège radial à froid, le temps de séjour sera réduit pour un rendement donné, car la croissance des germes se produit sur toute la longueur du trajet d'écoulement dans la toile métallique. Par conséquent, pour un volume donné de piège à froid, le temps nécessaire pour éliminer les impuretés de tout le système est diminué dans le cas du piège radial à froid. De même, pour un volume donné de piège à froid, on peut s'attendre à ce que le piège radial à froid fasse précipiter plus d'impuretés comparativement à un piège à froid classique. La présente invention fournit donc un piège radial à froid qui permet d'éliminer plus d'impuretés par unité de volume, ce qui a pour conséquence une durée plus longue de fonctionnement, et qui permet de limiter la précipitation d'impuretés dans des régions du piège à froid o cette précipitation pourrait gêner le fonctionnement du piège. Ltappréciation des valeurs de mesure indiquées ci-dessus doit tenir compte du fait qu'elles proviennent de la conversion d'unités anglo- saxonnes en unités métriques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisa- tion qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de va- riantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. RE VE ND ICA T IONS 1. Piège à froid pour éliminer les impuretés d'un courant de mé- tal liquide comprenant un corps avec des tubulures d'entrée et de sortie du métal liquide, caractérisé en ce que plusieurs bandes annulaires (26), (28), (30), (32) de toile métallique sont disposées concentriquement à l'intérieur de ce corps (12), la tubulure d'entrée (14) et la tubulure de sortie (16) étant placées de telle sorte que le courant de métal liquide traverse successivement et à peu près radialement chacune des bandes (26), (28), (30), (32) de toile métallique, permettant à ces dernières de retenir les impuretés. 2. Piège à froid pour éliminer les impuretés d'un courant de mé- tal liquide suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la surface spécifique de chacune des bandes (26), (28), (30), (32) de toile métallique augmente dans le sens de l'écoulement du courant de métal liquide. 3. Piège à froid pour éliminer les impuretés d'un courant de mé- tal liquide suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la surface annulaire en coupe transversale de chacune des bandes successives (26), (28), (30), (32) de toile métallique décroît dans le sens de l'écoulement du courant de métal liquide. 4. Piège à froid pour éliminer les impuretés d'un courant de métal liquide suivant l'une des revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (42), (46) de refroidissement disposés au voisinage des bandes (26), (28), (30), (32) de toile métallique afin de régu- ler la température de ces dernières. 5. Piège à froid pour éliminer les impuretés d'un courant de métal liquide suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (50) de chauffage disposé au voi- sinage des bandes (26), (28), (30), (32) de toile métallique afin de réguler la température de ces dernières. 6. Piège à froid pour éliminer les impuretés d'un courant de mé- tal liquide suivant la revendication 1, dans lequel l'entrée est disposée à la périphérie et la sortie au centre des bandes de toile métallique, ca- ractérisé en ce qu'un déflecteur (20) percé d'orifices (22) est disposé à l'intérieur du corps (12) et autour de la bande extérieure (26) de toile 1l métallique afin de diriger l'écoulement du courant de métal liquide dans cette bande extérieure (26) de toile métallique.