Brevet FR2508590A1 — publié le 19821231

Manifold pour la distribution du réfrigérant dans la couverture d'un réacteur nucléaire de fusion La présente invention concerne, d'une façon générale, le manifold de distribution destiné à fournir un courant de réfrigérant à une source de chaleur et elle a trait, plus spécifiquement, à un manifold de distribution de réfrigérant pour un réacteur nucléaire de fusion. La réaction de fusion dans un réacteur de fusion engendre de l'énergie thermique dans une structure qui entoure le plasma et que l'on appelle une "couverture" La couverture est refroidie par un fluide réfrigérant, habituellement un gaz inerte tel que l'hélium Un manifold pour distribuer le courant de réfrigérant à une couverture est difficile à construire en raison du grand nombre de caractéristiques et de fonctions voulues du système, et particulièrement en ce qui concerne le maintien d'un réacteur Tokamak en forme de couronne Du fait que la couronne exige un entretien fréquent, il ne faut pas que le manifold de distribution de réfrigérant limite exagérément l'accès à cette couverture De préférence, il faut que le mani- fold puisse être enlevé et remplacé rapidement Ce manifold doit tolérer les déformations et les gauchissements associés à une exposition à des doses de radiation élevées, cycliques et à long terme,ainsi qu'à un fonctionnement sous température élevée. Etant donné qu'il n'est pas souhaitable qu'une masse importante de matière radioactive soit produite par l'exposition aux radia- tions du plasma, le manifold doit avoir un volume minimal tout en étant aussi solide et étanche que possible. Du fait de la géométrie non-sphérique et non-cylindrique de la configuration Tokamak, le manifold n'est pas de façon inhérente mécaniquement solide en raison de sa forme structurale favorable. La présente invention a pour objet un manifold pour distribuer un courant réfrigérant à une couverture, ce manifold ayant un volume minimal et pouvant être démonté rapidement tout en étant solide. La présente invention réside, d'une façon générale, dans un manifold pour la distribution de courants de fluides chaud et froid vers et depuis une source de chaleur dans un réacteur de fusion, ce manifold comprenant un conduit intérieur pour le passage dudit courant de fluide chaud, une chemise intérieure dans ledit conduit intérieur et un conduit extérieur pour le passage dudit courant de fluide froid, ce conduit extérieur entourant et supportant ledit conduit intérieur. Le manifold de distribution de réfrigérant peut utiliser des modules, dont un nombre voulu peut être groupé de manière à former un système manifold complet Chaque module comporte un conduit intérieur parcouru par un courant de réfrigérant chaud à une pression relativement faible et un conduit extérieur par- couru par un fluide plus froid à une pression plus élevée Les composants structuraux du module constituant la majeure partie de la masse de la matière du manifold sont placés dans le conduit extérieur Une chemise intérieure isole le conduit intérieur chaud du conduit extérieur froid en augmentant la différence de température entre ces deux régions. La résistance mécanique globale du module est augmentée par la mise sous pression interne du module par le gaz De plus, les températures plus froides régnant dans le conduit extérieur permettent l'utilisation d'éléments structuraux moins volumineux étant donné que les matériaux présentent de meilleures propriétés aux températures inférieures. En raison du caractère modulaire du manifold, son démontage est une opération rapide et simple. La présente invention apparaîtra mieux dans la description d'un mode de réalisation préféré donnée ci-après en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en plan schématique de l'agence- ment général d'un réacteur Tokamak; la figure 2 représente un détai L de la figure 1 la figure 3 est une représentation schématique partiellement en coupe d'une partie du manifold et de la couverture; la figure 4 est une vue d'un détail agrandi de la figure 3; les figures 5 et 6 sont des vues schématiques du manifold; et la figure 7 est une coupe schématique du manifold. Une sérié de modules de manifold semicirculaires ou courbés de toute autre manière appropriée sont groupés de telle sorte que la surface de la couverture soit entièrement ou quasi entièrement recouverte Chaque module comporte une entrée de réfrigérant à une de ses extrémités et une sortie à son autre extrémité En traversant le module, le réfrigérant suit un trajet qui oblige le courant de réfrigérant à s'écouler, à intervalles le long du module, à travers les sections de couverture adjacentes, en évacuant ainsi la chaleur de la couverture. Les modules sont fixés à la couverture àa l'aide d'un élément de fixation du type à libération intantanée L'élément de fixation, lorsqu'il est installé, maintient une pression de contact suffisante entre le module et la section de couverture de telle sorte qu'une étanchéité soit établie entre les raccor- dements comme on va le décrire par la suite. La figure 1 montre la disposition générale du tore d'un réacteur de fusion Tokamak Une pluralité de sections de couver- ture 21 sont disposées autour du tore 2 de telle, sorte que la majeure partie de la surface extérieure de ce tore 2 soit re- couverte Seules quelques sections 21 sont visibles sur la figure 1 afin de ne pas surcharger le dessin Des bobines électromagnétiques 20 entourent les sections 21 de couverture, des écrans 22 et des manifolds 1, limitant l'accès. Les manifolds 1 ont pour rôle de distribuer le courant de réfrigérant aux sections 21 de la couverture Les figures 2 et 3 montrent comment la couverture elle-:même comprend une série de sections 21 dont chacune est parcourue par un courant de réfrigérant Les sections 21 de couverture qui sont disposées axialement dans un plan sont desservies par un seul module 1 de manifold,comme on peut le voir sur la figure 2 (sauf que plusieurs modules i sont nécessaires pour circonscrire le tore 2) Un tuyau d'entrée 3 et un tuyau de sortie 4 alimente le module 1 de manifold avec un courant de réfrigérant provenant de collecteurs (non représentés) communs à tous les modules 1 ou propres à chaque module 1. La figure 4 représente un détail agrandi de la figure 3. Le module t est fixé à la section 21 de couverture par un 7 e pièce de fixation 26 agissant sur des nervures 6 de la section 21 de couverture et sur le module 1 Cette pièce de fixation 26 main- tient un contact étanche entre une buse 28 de couverture et un trou intérieur formant conduit 18 à l'endroit de la surface d'appui 27 et un contact étanche similaire à l'endroit de la surface 29. On va se référer aux figures 5 et 7 Le module l de manifold a une section droite à peu près rectangulaire Un con- duit central 7 du manifold 1 est prévu pour contenir et canaliser l'écoulement revenant de la section 21 de couverture o le réfrigérant a été chauffé par l'énergie irradiée par la réaction de fusion Le conduit central 7 comporte également une chemise calorifuge intérieure 8 (voir figure 7) non-structurale Cette chemise consiste en un mince manchon métallique à l'intérieur de la paroi 10 du conduit structural 7 qui contient les fluides chauds s'écoulant et ajoute non seulement l'impédance thermique d'une interface supplémentaire, mais aussi une région 9 de gaz stagnant pour calorifuger le conduit 7 Le calorifugeage de la paroi 10 du conduit structural 7 par une chemise 8 est suffisant pour qu'il ne -soit pas nécessaire que cette paroi 10 du conduit structural 7 présente une tolérance de dilation thermique appro- priée pour la différence de température entre les courants chaud et froid circulant Pendant l'élévation de température, la chemise 8 se dilate d'une quantité déterminée par cette diffé- rence de température et, par conséquent, comporte des joints de dilation 11. Le manifold 1 comporte des conduits froids 12 destinés à canaliser le courant de réfrigérant avant son entrée dans la section 21 de couverture Ces conduits froids 12 sont partiel- lement formés par des âmes 13 qui comportent des ouvertures 14 assurant une communication fluidique entre tous les conduits froids 12 Le conduit central 7 comporte aussi des âmes 15 perforées dont la présence est ou n'est pas nécessaire selon la pression de retour des gaz chauds. On va se référer à la figure 5 Cette vue en plan du manifold 1 est prise à une hauteur (voir figure 6) choisie pour passer par un endroit o se trouve une communication fluidique entre le manifold 1 et la section 21 de couverture A chaque endroit tel que celui-ci, le manifold t comporte un grand trou extérieur 16 dans sa paroi extérieure 17 et un petit trou inté- rieur 18 dans la paroi 10 du conduit intérieur 7 Ces trous 16 et 18 sont également représentés sur la figure 4 On fait en sorte que la buse 28 (voir figure 4) montée sur la section 21 de couverture concorde avec le trou 18 et rende étanche ce trou lorsque l'on a fixé mutuellement le manifold 1 et la section 21 de couverture en utilisant la pièce de fixation 26 (voir figure 4) Selon la conception et les besoins de la section 21 de cou- verture, des ensembles de trous 16 et 18, centrés dans les dessins rectangulaires de la nervure 6 (voir figure 6) sont espacés de façon intermittente le long du manifold 1 de telle sorte que chaque section 21 de couverture comporte un de ces ensembles. Le trajet d'écoulement du réfrigérant est le suivant le réfrigérant sous haute pression et relativement froid est envoyé par une pompe dans le tuyau d'entrée 3 (voir figure 2 J et pénètre dans le module 1 Ce courant est dirigé dans les conduits froids 12 par le tuyau d'entrée 3 Le réfrigérant s'écoule B travers les conduits froids 12 et est distribué a une combinaison parallèle de trajets d'écoulement par autant de trous 16 et de buses 28 de couverture qu'il faut dans une conception de couverture particulière Le réfrigérant est chauffé dans les sections 21 de couverture (suivre les flèches sur la figure 4) et revient au trou 18 par l'intermédiaire de la buse 28 Ce réfrigérant chauffé passe ensuite par l'inter- médiaire du conduit central chaud 7 dans le tuyau de sortie 4 (voir figure 2). L'écoulement à travers le conduit central 7 peut être dirigé à contrecourant ou dans le même sens que l'écoulement à travers les conduits froids 12 (par un nouveau positionnement du tuyau de sortie 4) mais il est de préférence établi de manière à être complémentaire du diagramme d'écoulement naturel (le courant de réfrigérant chaud est établi de manière à s'élever verticalement, contrairement au courant froid qui descend sous l'effet de la pesanteur). Le réfrigérant s'écoulant dans le conduit central 7 se trouve à une température supérieure à celle du réfrigérant s'écoulant dans les conduits froids 12, cela en raison du chauffage de la couverture Le réfrigérant s'écoulant dans le conduit central 7 se trouve a une pression inférieure à celle du réfrigérant s'écoulant dans les conduits froids 12, cela en raison de la résistance à la pression de la section 21 de couverture et de la résistance à la pression des trous 16 et 18. Malgré la pression inférieure dans le conduit central 7, la structure ne peut pas librement soulager les contraintes régnant dans les conduits froids 12 par une déformation radia- lement en direction de l'intérieur vers le conduit central 7 car ce conduit 7 peut comporter des âmes structurales 13 si besoin est. Une déformation du module 1 de manifold est contre- carrée par les contraintes des parois et des âmes par suite de la pressurisation interne L'exposition de la plupart des parois et des âmes structurales aux températures inférieures (accrue par la chemise 8) améliore les propriétés physiques du module. Les caractéristiques de pression et de température 7. du manifold 1 sont donc un avantage important pour l'augmen- tation de la résistance mécanique structurale et pour la réduction des exigences concernant les matériaux. On peut séparer le manifold 1 des tuyaux d'entrée et de sortie 3 et 4 et les enlever individuellement des sections 21 de couverture ou même les laisser fixés à ces sections 21 si celles-ci doivent être enlevées et remplacées. REVLNDI C O ATIONS 1 l Manifold pour la distribution de courants de fluides chaud et froid sous pression en direction et à partir d'une source de chaleur dans un réacteur nucléaire de fusion, caractérisé par le fait qu'il comprend un conduit intérieur ( 7) pour le passage dudit courant de fluide chaud, une chemise ( 8) dans ledit conduit intérieur, et un conduit extérieur ( 12) pour le passage duit courant de fluide froid, ce conduit exté- rieur entourant et supportant ledit conduit intérieur. 2 manifold suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite chemise est adaptée pour augmenter la résistance du manifold à la déformation. 3 I Manifold suivant les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il est adapté pour résister à la déformation due à la pression interne du fluide. 4 Manifold suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ladite source de chaleur est la couverture ( 21) d'un réacteur de fusion. Système de manifold suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de manifolds,