Brevet FR2509432A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un perfectionnement aux générateurs de vapeur utilises dans les centrales électriques. Dans les centrales électriques, une chaudière apporte de la chaleur au fluide d'un circuit primaire, ce fluide circule alors dans un générateur de vapeur afin de céder sa chaleur à une eau d'un circuit secondaire qui est transformée en vapeur, cette vapeur est alors envoyée dans les turbines. Dans les centrales nucléaires, par exemple du type à neutrons rapides, il est connu comme fluide primaire du sodium liquide. Dans ce cas, le générateur de vapeur est constitué d'un échangeur de chaleur dont le circuit primaire renferme du sodium liquide et dont le circuit secondaire renferme de i'eau transformée en vapeur. Pour obtenir un bon rendement thermique, il est avantageux que la vapeur sortant du générateur de vapeur se trouve à une température et à une pression assez élevées. Le circuit secondaire du générateur de vapeur est alors soumis à de fortes contraintes mécaniques. Par ailleurs, le sodium liquide utilisé comme fluide du circuit primaire présente l'avantage d'une très bonne conductibilité thermique, mais présente aussi l'inconvénient de faire subir à la structure du générateur de vapeur des chocs thermiques qui sont néfastes. On connaît des générateurs de vapeur dont le circuit secondaire de circulation d'eau est constitué d'une pluralité de tubes s'étendant à l'intérieur de l'enceinte renfermant le fluide du circuit primaire et traversant de façon étanche à leurs deux extrémités des plaques tubulaires en débouchant dans deux chambres respectivement d'alimentation en eau et d'évacuation de la vapeur. Les dispositions connues concernant la forme de ces plaques tubulaires, la forme des chambres d'alimentation et d'évacuation ainsi que les liaisons entre ces chambres, la plaque tubulaire et l'enceinte ne donnent pas toute satisfaction du point de vue de la résistance mécanique ainsi que de la résistance aux chocs thermiques.En effet, on constate dans ces structures existantes, des variations importantes dans les épaisseurs des diffërentes pièces, ce qui crée des zones dont l'inertie thermique est différente, ce qui peut entrainer des sollicitations mécaniques anormales. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en prévoyant une structure des plaques tubulaires et des chambres d'alimentation et d'évacuation permettant, à partir de formes géométriques simples et faciles à réaliser, d'obtenir un ensemble qui résiste bien aux sollicitations mécaniques et aux chocs thermiques, tout en minimisant la quantité de matière nécessaire à sa réalisation. La présente invention concerne donc un générateur de vapeur comprenant un circuit primaire constitué d'une enceinte allongée dans laquelle circule un fluide primaire, chaque extrémité de cette enceinte étant limitée de façon étanche par une paroi latérale et par une plaque tubulaire, et un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes de circulation d'eau s'étendant à l'intérieur de l'enceinte et dont chaque extrémité traverse de façon étanche la plaque tubulaire correspondante, ces tubes débouchant ainsi, de l'autre côté de la plaque tubulaire, dans deux chambres respectivement d'alimentationen eau et d'évacuation de la vapeur, ces deux chambres étant limitées chacune par une paroi extérieure formant avec la plaque tubulaire une enveloppe ferme. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, les chambres d'alimentation en eau et d'évacuation de la vapeur délimitées à la fois chacune par la face interne de la paroi et la face de la plaque tubulaire, ont la forme d'une sphère. Selon une autre caractéristique de l'invention, la paroi latérale de l'enceinte et la paroi extérieure de chaque chambre se raccordent à la périphérie de la plaque tubulaire par une surface torique concave passant à une distance minimale des tubes externes du circuit secondaire, compatible avec la résistance mécanique exigée de l'ensemble. D'autres avantages propres à cette invention apparatront lors de la description détaillée de exemple de réalisation qui va suivre, illustré par les figures annexées. La figure 1 est une coupe dans un plan vertical de la partie inférieure d'un générateur de vapeur selon l'art antérieur. La figure 2 est une coupe dans un plan vertical de la partie inférieure d'un générateur de vapeur selon la présente invention. La figure 3 est une coupe dans un plan vertical d'un générateur de vapeur selon la présente invention. En se reportant aux figures I et 2, on peut aisément effectuer une comparaison entre la disposition des éléments constitutifs dtun générateur de vapeur de type classique (figure 1) et d'un générateur de vapeur selon la présente invention (figure 2). Des repères identiques sont affectés aux pièces ayant même fonction, qu'elles appartiennent à la figure représentant l'art antérieur ou aux figures représentant l l'invention. En se reportant à la figure 1, on distingue la partie inférieure d'un générateur de vapeur du type "sodium-eau" dans laquelle on retrouve une enceinte cylindrique verticale 1 définissant une chambre intérieure 2 contenant du sodium liquide en circulation et constituant ainsi le circuit primaire du générateur de vapeur. Dans cette chambre 2 remplie de sodium liquide passe un faisceau de tubes droits 3 disposés verticalement et qui constituent le circuit secondaire. Ces tubes 3 sont reliés de façon connue à une plaque tubulaire 4, de manière que l'intérieur des tubes 3 communique avec l'espace se trouvant sous la plaque tubulaire 4 par des canaux verticaux 5. L'enceinte cylindrique t est reliée de façon étanche à la plaque tubulaire 4 par l'intermédiaire d'une paroi latérale 6, de sorte que le sodium liquide contenu dans la chambre 2 ne peut pas s'échapper par l'extrémité inférieure de cette enceinte 1. Cette plaque tubulaire 4, qui est généralement de forme circulaire, est reliée de façon étanche à une enveloppe fermée 7 qui définit avec la face inférieure de la plaque tubulaire 4 une chambre 8.La partie supérieure de ce générateur de vapeur classique est constituée de façon tout-à fait symétrique à cette partie inférieure représentée. De la sorte, les tubes 3 sont raccordés, à leur partie supérieure, à une autre plaque tubulaire et débouchent dans une chambre d'évacuation. Le circuit~secondaire est établi de la façon suivante : de l'eau est introduite par une ouverture 9 ménagée dans l'enveloppe 7, remplit totalement la chambre d'introduction 8, passe par les canaux 5 à l'intérieur des tubes 3. Comme ces tubes 3 sont entourés de sodium liquide chaud, ils échauffent l'eau qui circule à l'intérieur, et la transforment en vapeur ; cette vapeur d'eau est recueillie à la partie supérieure du générateur de vapeur dans une chambre d'évacuation de la vapeur. Pour que la centrale ait un bon rendement, il faùt que le générateur de vapeur fournisse une vapeur à haute température et haute pression. Ainsi, il est courant de faire fonctionner des générateurs de vapeur de façon qu'ils fournissent de la vapeur d'eau à environ 5000 et 200 bars. L'ensemble du circuit secondaire est donc soumis à cette pression de 200 bars, ce qui cree donc dans l'ensemble de la structure des contraintes mécaniques assez grandes. Ainsi, la chambre d'introduction de l'eau 8 est soumise à cette haute pression, et exerce donc sur la face intérieure de l'enveloppe 7 et sur la face inférieure de la plaque tubulaire 4 des efforts très importants.On remarque par conséquent que si la plaque tubulaire 4 est formée d'un disque circulaire dont les faces sont parallèles, cette plaque tubulaire 4 doit etre d'épaisseur importante pour résister correctement à l'effort de pression qui s' exerce sur sa face intérieure 10. On remarque aussi que, au niveau de la liaison 11 entre la plaque tubulaire 4 et l'enveloppe 7, il risque de se produire une concentration de contraintes. D'autre part, la chambre 2 est remplie de sodium liquide en circulation. Le sodium liquide a l'avantage d'évacuer efficacement les calories de l'intérieur du réacteur nucléaire, du fait de sa très bonne conductivité thermique. Par contre, cette bonne conductivité thermique du sodium présente l'inconvénient de faire subir à la structure du générateur de vapeur des chocs thermiques importants. Les pièces en contact avec la chambre 2 sont ainsi soumises à des variations brusques de température, c'est le cas notamment de la plaque tubulaire 4. Or, le fait que la plaque tubulaire soit en forme de disque et soit de forte épaisseur entraîne que la liaison entre la plaque tubulaire 4 et l'enveloppe 7 s'effectue sur une zone périphérique de la plaque tubulaire 4, que cette zone périphérique 12 étant fortement sollicitée doit entre de forte épaisseur.Cette zone de liaison 12 constitue donc une masse de matière relativement importante, présentant donc une forte inertie thermique, ce qui risque de créer des contraintes du fait des chocs thermiques, par différences de température entre cette zone de matière 12, et la plaque tubulaire 4 qui est traversée par de nombreux canaux 5. La figure 2 représente la partie inférieure d'un générateur de vapeur selon la présente invention. On retrouve, de façon connue une enceinte cylindrique verticale 1 définissant une chambre 2 remplie de sodium liquide constituant le circuit primaire, un faisceau de tubes 3 reliés de façon classique à une plaque tubulaire 13. L'enceinte 1 est raccordée de façon étanche à la plaque tubulaire 13 par une paroi latérale 6. Les tubes 3 communiquent par les canaux 5 avec l'intérieur d'une chambre d'introduction de l'eau 8 limitée par une enveloppe 14. Le mode de fonctionnement de ce générateur de vapeur est tout à fait identique à celui qui a été décrit dans la figure I. L'originalité de notre invention réside principalement dans la forme particulière donnée à la plaque tubulaire 13 et à l'enveloppe fermée 14. Selon notre invention, la face inférieure 15 de la plaque tubulaire 13 c'est-à-dire la face opposée aux tubes 3, présente une forme en portion de sphère concave. D'autre part, ltenveloppe fermée 14 présente une face intérieure 16 en forme de portion de sphère, les faces 15 et 16 se raccordant de façon à donner ainsi à la chambre 8 quelles délimitent une forme complètement sphérique. En comparant la figure 2 qui illustre la présente invention et la figure 1 qui illustre l'art antérieur, on peut mettre en évidence les divers avantages qui résultent de la disposition propre à notre invention. On peut remarquer d'abord que les faces internes 15 et 16 ont la forme de secteurs sphériques qui se complètent et de ce fait, ne présentent aucune zone dont le rayon de courbure serait faible, et par conséquent ne présentent aucune zone de concentration de contraintes. Il est en effet bien connu que la forme sphérique d'une encéinte présente la meilleure résistance mécanique à la pression régnant à l'intérieur. En conséquence, il est possible de donner à la plaque tubulaire t3 une épaisseur minimum, en son centre inférieure à l'épaisseur minimum possible pour une plaque tubulaire 4 de forme classique plane. On peut remarquer aussi que dans le dispositif conforme à notre invention, la paroi latérale 6 de enceinte et la paroi externe 14 de la chambre 8 se raccordent à la périphérie de la plaque tubulaire par une surface torique concave 17 passant à une distance minimale des canaux 5 correspondant aux tubes situés à la périphérie de la plaque tubulaire 13.Cette surface torique 17 peut présenter un rayon relativement grand pour éviter les concentrations de contraintes, tout en permettant un raccord entre la plaque latérale 6 et la plaque tubulaire 13 ne nécessitant, sur la zone périphérique de la plaque tubulaire 13, la présence d'une zone de matière 18 de faible dimension qui présente ainsi une faible inertie thermique, et donc une bonne résistance aux chocs thermiques. Cette diminution de l'épaisseur de matière située autour de la plaque tubulaire est mise en évidence dans les figures 1 et 2 par le tracé d'un cercle inscrit fictif 19-20 dans la zone entourant la plaque tubulaire. Ces cercles fictifs 19-20 sont une bonne visualisation de l'importance des masses de matière 12, 18 sensibles aux chocs thermiques. On remarque aisément que le cercle inscrit 19 correspondant à la figure relative à l'art antérieur est nettement plus grand que le cercle 20 correspondant à la figure relative à la présente invention. Le fait que, selon notre invention, la plaque tubulaire 13 comporte une face 15 sphérique concave, implique que les canaux 5 situés à la périphérie de la plaque tubulaire ont une plus grande longueur que les canaux 5 situés vers son centre. Ces différences de longueur des canaux 5 ne sont pas suffisantes pour créer des variations de pertes de charge susceptibles d'entraîner un déséquilibre des débits traversant le réseau de tubes du circuit secondaire. La figure 3 représente une coupe longitudinale schématique d'un générateur de vapeur selon la présente invention. Le sodium liquide est introduit dans la chambre 21, circule à l'intérieur de enceinte 1 et ressort par la chambre 22. L'eau est introduite dans la chambre d'introduction 8, traverse la plaque tubulaire 13, circule dans les tubes 3, traverse la plaque tubulaire 23 et passe, sous forme de vapeur, dans la chambre d'évacuation 24. On remarque que les formes propres à notre invention de la plaque tubulaire 13 et de la chambre d'introduction de l'eau 8 sont identiques aux formes de la plaque tubulaire 23 et de la chambre d'évacuation de la vapeur 24. Le générateur de vapeur selon l'invention est ainsi réalisé de façon parfaitement symétrique, on retrouve en effet, d'un coté comme de l'autre, les mêmes problèmes concernant la pression élevée dans le circuit secondaire et les chocs thermiques dus au circuit primaire. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit, elle en comporte au contraire toutes les variantes et l'on peut modifier les points de détail sans pour autant sortir du cadre de l'invention. il est possible en effet d'appliquer les dispositions de la présente invention à un échangeur de chaleur dont le circuit primaire comporte un autre fluide que du sodium liquide, par exemple de l'eau sous pression, ainsi qu'à un échangeur de chaleur dont les tubes 3 sont disposés autrement que parallèlement à l'axe du générateur de vapeur, par exemple disposés hélicoidalement ou en forme de U. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur comprenant un circuit primaire constitué d'une enceinte allongée (1) dans laquelle circule un fluuide primaire, limitée par une paroi latérale et par-deux plaques tubulaires (13,23) et un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes (3) de circulation d'eau s'étendant à 11 intérieur de l'enceinte et traversant de façon étanche à leurs deux extrémités lesdites plaques tubulaires, de l'autre côté desquelles ils. débouchent dans deux chambres (8,24), respectivement d'alimentation et d'évacuation limitées chacune par une paroi extérieure (14,26) formant avec la plaque tubulaire une enveloppe fermée, caractérisé par le fait que l'enveloppe fermée a, intérieurement, la forme d'une sphère, les faces internes (16,15) de la paroi et de la plaque tubulaire constituant ladite enveloppe ayant la forme de deux secteurs sphériques qui se complètent. 2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la paroi latérale de l'enceinte (1) et la paroi extérieure (14,26) de chaque chambre se raccordent à la périphérie de la plaque tubulaire par une surface torique concave (17) passant à une distance minimale des tubes (3) extérieurs du circuit secondaire, cette distance étant compatible avec la résistance mécanique exigée de l'ensemble.