Brevet FR2511139A1 — publié le 19830211

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à double barrière plus spécia- lement destiné à réfrigérer l'eau primaire radioac- tive d'un circuit de prélèvement d'un réacteur à eau et permettant notamment de détecter une fuite du li- quide primaire au niveau dudit échangeur. Sur le circuit primaire d'un réacteur nu- cléaire sont branchés un certain nombre de circuits auxiliaires permettant de vérifier le bon fonction- nement de ce circuit et, s'il le faut, d'ajuster les caractéristiques du fluide primaire En ce qui con- cerne l'un de ces circuits, dit "circuit de prélève- ment', utilisé pour prélever des échantillons du li- quide primaire pour analyse, il est nécessaire de refroidir le liquide primaire provenant du coeur avant d'effectuer le prélèvement Pour cela, on le refroidit par l'intermédiaire d'un circuit secon- daire de réfrigération La plupart des échangeurs actuellement utilisés n'assurent pas une protection totale du circuit secondaire contre les risques de pollution par le fluide primaire et, en général, ne permettent pas de détecter rapidement une fuite ac- cidentelle de ce dernier. La présente invention a justement pour objet un échangeur de chaleur qui permet non seule- ment de protéger le circuit secondaire contre les risques consécutifs à une détérioration du circuit primaire, mais qui permet également de détecter ra- pidement une fuite du liquide primaire. Selon la principale caractéristique de l'échangeur de chaleur objet de l'invention, le fluide primaire radioactif circulant dans une gaine primaire et le fluide secondaire circulant dans une gaine secondaire, cet échangeur comporte une matrice de jonction, disposée entre les deux gaines et en contact avec celles-ci, cette matrice comprenant au moins un élément susceptible de diffuser dans le fluide primaire lorsqu'il est au contact de celui-ci et d'être rendu radioactif sous l'action d'une sour- ce d'activation. Selon une autre caractéristique de l'in- vention, l'élément susceptible d'être rendu radio- actif lorsqu'il est entraîné par le fluide primaire ert de l'argent Ainsi, un tel échangeur se compose de deux "barrières", l'une entre la gaine primaire et la matrice, l'autre entre la matrice-et la gaine secondaire Le dispositif selon l'invention présen- te une sécurité accrue car il permet de détecter une anomalie au niveau de la première barrière (par exemple fuite du liquide primaire) bien avant que la seconde ne soit attaquée à son tour. En effet, si une fuite se produit, par exemple suite à un percement de la gaine primaire, le liquide primaire attaque la matrice et des ions argent se mettent à diffuser dans le circuit primai- re du réacteur: lors du passage dans le coeur, ils sont activés en argent 110 sous l'action du flux de neutrons Cette anomalie peut alors être détectée sous forme d'une augmentation du pic de ce radioélé- ment dans le spectre de radiochimie effectué pério- diquement sur des prélèvements primaires: la ruptu- re de la première barrière de l'échangeur peut donc être décelée très rapidement par surveillance de ce pic. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nul- lement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique mon- trant un échangeur de chaleur selon l'invention pla- cé dans un circuit de prélèvement relié au circuit primaire d'un réacteur, - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation d'un échangeur con- forme à l'invention dans lequel la gaine primaire a la forme d'un tube droit et la gaine secondaire une forme annulaire, la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un autre mode de réalisation dans lequel la gaine primaire a la forme d'un tube droit et la gai- ne secondaire la forme d'un serpentin, la figure 4 est une vue schématique en coupe montrant une troisième forme de réalisation avec la gaine primaire en forme de serpentin, la gaine secondaire ayant une forme annulaire, et la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un échangeur de chaleur selon l'invention dans lequel la gaine primaire a la forme d'un ser- pentin séparé par une matrice d'une gaine secondaire délimitée par les filets de deux vis à pas carré. Sur là vue schématique de la figure 1, on voit le circuit primaire 1 d'un réacteur nucléaire permettant au fluide primaire de passer du coeur 2 o il s'échauffe au contact des gaines combustibles à un échangeur de chaleur 4 o il se refroidit au contact du fluide circulant dans le circuit secon- daire 6 du réacteur avant de retourner dans le coeur Sur le circuit primaire, et en aval de l'échangeur 4, est branché un circuit de prélèvement 8 permettant de prélever des échantillons du fluide primaire pour analyse Cependant, même à la sortie de l'échangeur 4, le fluide primaire est encore trop chaud pour pouvoir effectuer ces prélèvements et il est nécessaire de le refroidir par un fluide circu- lant dans un circuit secondaire de réfrigération 10, ce refroidissement ayant lieu dans un échangeur de chaleur 12 Divers modes de réalisation sont possi- bles pour un tel échangeur, suivant la géométrie de la gaine primaire et de la gaine secondaire. y Dans l'exemple représenté à la figure 2, on voit que la gaine primaire a la forme d'un tube droit 14 entouré d'une enceinte annulaire 16 dans laquelle circule le liquide secondaire de refroidis- sement, le tube primaire 14 et l'enceinte annulaire 16 étant séparés par un espace 18 rempli par la ma- trice de jonction utilisée dans le cadre de la pré- sente invention. Dans le cas de la figure 3, la gaine pri- maire a encore la forme d'un tube cylindrique 20, mais la gaine secondaire 22 a la forme d'un serpen- tin entourant la gaine primaire et noyé -à l'inté- rieur d'une matrice 24 placée tout autour du tube 20 et en contact avec celui-ci. Dans l'exemple représenté à la figure 4, c'est la gaine primaire 26 qui a la forme d'un ser- pentin noyé dans une matrice de jonction 28, celle- ci étant placée entre deux parois cylindriques ex- terne et interne référencées 30 et 32 respectivement sur la figure Le fluide secondaire circule d'une part dans l'espace tubulaire 34 délimité par la pa- roi interne 32 et d'autre part dans un espace annu- laire 36 délimité par la paroi externe 30 et une paroi extérieure 38. Quant à la figure 5, elle illustre un mode particulier de réalisation d'un échangeur selon l'invention dans lequel la gaine primaire a la forme d'un serpentin tandis que le liquide secondaire cir- cule dans les espaces définis par les filets de deux vis à pas carrés. Le liquide primaire arrive dans l'échan- geur, qui a une forme cylindrique et porte la réfé- rence générale ll sur le dessin, par un orifice d'entrée 42 situé à une extrémité et en ressort à l'autre extrémité par un orifice de sortie 44 après avoir circulé dans un serpentin 46 dont l'axe est sensiblement confondu avec celui du tube 11 Ce ser- pentin est noyé dans une matrice de jonction 47 qui est réalisée en alliage d'argent et de cuivre A l'intérieur du cylindre défini par le serpentin 46, et en contact avec la matrice 47, est disposée une paroi cylindrique 48, appelée "paroi cylindrique in- terne" dans la suite du présent texte, de même axe que le tube 11, tandis qu'une pièce 49, filetée ex- térieurement, est placée à l'intérieur de la paroi 48 de telle sorte que son filet soit en contact avec la face interne de cette dernière La section longi- tudinale du filet de la pièce 49 a sensiblement la forme d'un carré et c'est pourquoi cette pièce porte le nom de "vis à pas carré". Du côté extérieur au cylindre défini par le serpentin 46 i la matrice 47 est en contact avec une deuxième paroi cylindrique 50, dite "paroi cy- lindrique externe", qui n'est autre que la face in- terne d'une deuxième vis à pas carré 51 filetée ex- térieurement, et à l'intérieur de laquelle sont dis- posés la matrice 47, le serpentin 46 et la première vis à pas carré 49 Enfin, une paroi extérieure 52 est en contact, d'une part avec le filet de la vis 51 et, d'autre part, avec l'enveloppe externe 53 du tube 11. Le fluide secondaire pénètre par un orifi- ce 54 situé à l'extrémité du tube il par laquelle est évacué le liquide primaire dans un trou 55 ména- gé à l'intérieur de la pièce 49 et sensiblement le long de son axe Un orifice 56 met le trou 55 en communication avec les espaces délimités d'une part par les filets des vis 49 et 51, d'autre part par 2511139 - les parois 48 et 52 Le fluide secondaire suit donc un double chemin hélicoïdal autour du serpentin pri- maire 46 avant d'être évacué à l'autre extrémité du tube 10 par un orifice de sortie 58 Cette disposi- tion permet d'avoir un bon coefficient d'échange thermique et confère au dispositif une bonne rigidi- té, ce qui permet de réduire l'épaisseur des parois cylindriques interne et externe. Dans le cas particulier décrit ici, la ma- trice 47 est un alliage binaire de cuivre et d'ar- gent, obtenu par coulée d'un alliage eutectique ter- naire d'argent, de cuivre et de cadmium, ce dernier se volatilisant au moment de la coulée Cette opéra- tion étant effectuée sous atmosphère neutre et à une température d'environ 9301 C, on réalise le serpentin primaire en un alliage à forte teneur en nickel (par exemple Inconel 800 ou Incoloy) afin de ne pas dété- riorer la gaine primaire au moment de la coulée Les autres pièces de l'échangeur sont réalisées en acier inoxydable 316 L L'utilisation de cette nuance d'acier permet d'éviter les problèmes de dilatation puisque le coefficient de dilatation thermique de l'acier inoxydable est de 17 10 6 tandis que celui de l'alliage argent-cuivre utilisé pour faire la ma- trice de jonction est de 16,5 10 6 De plus cette matrice constitue un excellent pont thermique entre les gaines primaire et secondaire grâce à la bonne conductibilité de l'argent et du cuivre Enfin, cet alliage a une bonne résistance mécanique, ce qui permet de réduire l'épaisseur du tube primaire et des gaines secondaires, l'épaisseur de ces éléments étant déterminée uniquement en fonction des problè- mes de corrosion. Deux cavités 60 et 61 sont ménagées à cha- que extrémité du tube 11 afin de récupérer le liqui- de primaire ou secondaire qui peut s'échapper en cas de fuite. L'enveloppe externe 53 du tube 11 est pro- tégée contre les surpressions consécutives à une fuite par une soupape de sûreté 62 La détection des fuites avec un tel dispositif se fait de la manière suivante: si le tube primaire 46 est percé, le fluide primaire entre en contact avec l'alliage constituant la matrice de jonction, attaquant celui- ci, et des ions argent vont diffuser dans le circuit primaire et s'activer en argent 110 après passage dans le coeur du réacteur On détecte donc la fuite de la gaine primaire en observant le pic de l'argent sur le spectre de radiochimie effectué périodique- ment. D'autre part, l'eau primaire s'échappant du serpentin 46 peut se frayer un chemin le long de celui-ci et parvenir Jusqu'aux pièces d'extrémité portant la référence 63 sur le dessin et, de là, pénétrer dans les cavités 60 ou 61 Le liquide cir- culant dans le serpentin primaire 46 étant sous for- te pression, il s'ensuit une augmentation de pres- sion dans la cavité 61, et donc un déplacement de la soupape 62, ce qui libère l'orifice d'évacuation 65: on peut donc détecter l'anomalie de fonctionne- ment par exemple grâce à une alarme qui se déclenche lorsque le liquide sort par cet orifice 65 Le li- quide primaire peut également attaquer la matrice de jonction et parvenir ainsi jusqu'à la paroi limitant la gaine secondaire A ce moment-là, sous l'effet de la pression, on peut avoir décollement de la matrice ou progression du liquide le long de l'interface et le fluide primaire s'écoule le long de cette inter- face jusqu'aux pièces d'extrémité 63 et débouche à nouveau dans la cavité 61: la fuite peut encore être détectée grâce à la soupape de sûreté 62 Ce- pendant, il faut remarquer que, dans tous les cas, le phénomène d'attaque de la matrice de jonction est suffisamment lent pour permettre la détection de l'anomalie par observation du pic de l'argent 110, généralement bien avant que le fluide ne parvienne dans les cavités 60 ou 61: on peut donc intervenir rapidement pour remplacer l'appareil défectueux avant destruction complète de celui-ci. Ainsi, le dispositif selon l'invention présente des avantages particulièrement intéres- sants puisqu'il permet un bon échange thermique en- tre le liquide primaire et le liquide secondaire, une bonne tenue mécanique de l'ensemble même avec des parois minces, et permet également de détecter rapidement une fuite au niveau de la gaine primaire, puisqu'en cas de percement de celle-ci, l'un des éléments constituant la matrice de jonction diffuse dans le liquide primaire et peut être facilement dé- tecté par contrôle spectrographique. Il est bien entendu que l'invention ne se limite pas aux seuls exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, mais qu'on peut envisager diverses variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention C'est ainsi que l'homme de l'art pourra choisir, suivant chaque cas particulier, la forme la mieux adaptée pour les gaines primaire et secondaire ainsi que les matériaux constituant ces gaines et la matrice de jonction. REVENDICATIONS 1 Echangeur de chaleur à double barrière entre un fluide primaire radioactif circulant dans une gaine primaire ( 20) et un fluide secondaire cir- culant dans une gaine secondaire ( 22), caractérisé en ce qu'il comporte une matrice de jonction ( 24) disposée entre les deux gaines ( 20, 22) et en con- tact avec celles-ci, cette matrice ( 24) comprenant au moins un élément susceptible de diffuser dans le fluide primaire lorsqu'il est au contact de celui-ci et d'être rendu radioactif sous l'action d'une *sour- ce d'activation. 2 Echangeur de chaleur selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que l'élément de la ma- trice ( 24) susceptible d'être rendu radioactif est de l'argent. 3 Echangeur de chaleur selon la revendi- cation 2, caractérisé en ce que la matrice ( 24) est constituée par un alliage binaire d'argent et de cuivre. 4 Echangeur de chaleur selon la revendi- cation 3, caractérisé en ce que la matrice ( 24) est obtenue par coulée sous atmosphère neutre d'un al- liage eutectique ternaire d'argent, de cuivre et de cadmium, ce dernier se volatilisant au moment de la coulée. Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la gaine primaire ( 20) est constituée par un alliage ayant une forte teneur en nickel. 6 Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la gaine secondaire ( 22) est en acier inoxyda- ble. 7 Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la gaine primaire a la forme d'un tube droit ( 14) entouré par une matrice de jonction ( 18) qui est elle-même entourée par une gaine secondaire ( 16) de forme annulaire. 8 Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la gaine primaire a la forme d'un tube droit ( 20) entouré d'une matrice ( 24) à l'intérieur de la- quelle est disposée la gaine secondaire qui se pré- l O sente sous la forme d'un serpentin ( 22). 9 Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la gaine primaire a la forme d'un serpentin ( 26) noyé dans une matrice ( 28) celle-ci étant en contact avec une gaine secondaire ( 36) de forme annulaire. Echangeur de chaleur selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la gaine primaire a la forme d'un serpentin ( 46) noyé dans une matrice ( 47), celle-ci étant en con- tact avec deux parois cylindriques, l'une interne ( 48) et l'autre externe ( 50), la paroi cylindrique interne ( 48) séparant la matrice ( 47) du filet d'une première pièce cylindrique filetée extérieurement ( 49), la paroi cylindrique externe ( 50) étant cons- tituée par la paroi interne d'une deuxième pièce cy- lindrique filetée extérieurement ( 51), le fluide se- condaire circulant dans les espaces délimités d'une part par le filet de la première pièce filetée ( 49) et la paroi cylindrique interne ( 48), d'autre part par le filet de la deuxième pièce filetée ( 51) et une paroi extérieure ( 52).