Brevet FR2499212A1 — publié le 19820806

La présente invention concerne un dispo- sitif de protection de la plaque tubulaire à l'ex- trémité chaude d'un échangeur de chaleur vertical à faisceau tubulaire entre de l'eau à vaporiser et surchauffer, circulant dans les tubes du faisceau, et un métal alcalin liquide circulant en contre-cou- rant autour des tubes. On sait que de, tels échangeurs, tels que ceux faisant partie d'une installation de production d'énergie électrique à partir d'un réacteur nucléai- re à neutrons rapides, dans lesquels le métal alca- lin est généralement le sodium, comportent une ex- trémité chaude à une température notablement supé- rieure à 5000C, le sodium étant à 5250C environ, l'eau sortant de la plaque tubulaire vers 4950C sous une pression de l'ordre de 200 bars. Celle-ci doit donc être très épaisse, et présente une inertie thermique importante, ce qui entraîne des contrain- tes thermiques élevées lors des mises en fonctionne- ment, arrêts ou changements d'allure de l'installa- tion. Il serait avantageux de constituer une telle plaque en un acier ferritique à 2,25% de chrome et 1% de molybdène, moins coûteux que les aciers austé- nitiques, mais un tel acier ferritique subit une dé- carburation au contact du sodium chaud dès que la température de ce dernier dépasse notablement 5000C. On ne peut d'autre part réduire la température de l'extrémité chaude de l'échangeur sans réduire.nota- blement le rendement de l'installation. La présente invention a pour but de remé- dier à ces inconvénients, et de procurer un disposi- tif de protection de la plaque tubulaire à l'extré- mité chaude de l'échangeur, ce qui réduit la tempé- rature du métal alcalin liquide venant au contact direct de celle-ci, sans cependant réduire la tempé- rature de la vapeur surchauffée parvenant à la pla- que tubulaire, ce qui réduit les contraintes thermi- ques dans celle-ci lors des changements de régime de l'installation, et qui assure cependant une circula- tion de métal alcalin autour des tétines de jonction des tubes avec la plaque tubulaire. Elle a encore pour but de permettre de constituer la plaque tubu- laire en un acier ferritique à teneur en chrome re- lativement faible, et d'assurer un balayage des sou- dures des tubes sur les tétines de jonction par le métal alcalin en circulation, ce qui facilite la dé- tection de fuites éventuelles. Le dispositif de protection selon l'in- vention est caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques parallèles perpendiculaires à l'axe de l'échangeur, réunies par une virole cylindrique min- ce, et dont l'une est à proximité de la plaque tubu- laire, et des moyens permettant une circulation as- cendante de métal alcalin liquide chaud à travers ces plaques parallèles vers la plaque tubulaire. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes: - les plaques parallèles sont traversées par des fourreaux soudés sur au moins l'une d'elles entou- rant les tubes du faisceau tubulaire, et permet- tant une circulation ascendante du métal alcalin liquide chaud, - il comporte en outre au moins une plaque intermé- diaire disposée entre lesdites plaques parallè- les, parallèlement à celles-ci, - il comporte en outre des moyens de mise en dépres- sion de la zone au voisinage dudit dispositif de protection, - les moyens de mise en dépression sont constitués par des tubes périphériques reliant la zone au voisinage du dispositif de protection à une zone annulaire de l'échangeur, elle-même reliée par des orifices à une zone entourant les tubes du fais- ceau. Une virole cylindrique de jonction de la plaque inférieure avec la virole externe de l'échan- geur est munie à sa partie inférieure de trous de remplissage et de vidange par lesquels le sodium en- tre dans l'écran thermique au remplissage de l'appa- reil, en sort lors de la vidange et y demeure stati- que durant le fonctionnement. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un échangeur de chaleur entre de l'eau à vaporiser et surchauffer et du sodium liquide chaud comportant un dispositif de protection de la plaque tubulaire de l'extrémité chaude selon l'invention. - la figure 1 en représente une coupe lon- gitudinale selon l'axe I-I de la figure 2, - la figure 2 en représente une coupe transversale selon l'axe II-II de la figure 1, - la figure 3 représente à échelle agran- die le détail III de la figure 1, concernant la jonction entre un tube et sa tétine de liaison avec la plaque tubulaire, - la figure 4 représente à plus grande échelle l'extrémité gauche du dispositif de protec- tion de la plaque tubulaire. Dans la figure 1, l'échangeur comporte une virole externe 1, et à son extrémité chaude une plaque tubulaire 2 séparant la zone d'échange d'une chambre 3 de collecte de la vapeur surchauffée sor- tant des tubes tels que 4 du faisceau tubulaire. Ce dernier est entouré d'une virole interne mince 5. L'admission du sodium liquide chaud a lieu par une tubulure latérale 6. Il remonte par la zone annulai- re 6A avant de redescendre dans la zone centrale 6B autour des tubes du faisceau en contre-courant de l'eau à vaporiser-et surchauffer. Le dispositif de protection de la plaque tubulaire 2, dont une partie est visible à échelle agrandie sur la figure 4, comporte une première pla- que 7 perpendiculaire à l'axe de l'échangeur et re- liée sur son pourtour à la virole externe 1, et une seconde plaque 8 parallèle à la première, et à pro- ximité de la face de la plaque tubulaire du-côté du faisceau de tubes. Ces deux plaques sont reliées par une petite virole cylindrique 9, à laquelle elles sont soudées. Une plaque intermédiaire 10, disposée à midistance des plaques 7 et 8, permet de limiter les courants de convection du sodium liquide présent entre celles-ci, et d'améliorer le rôle d'écran thermique de ce dernier. Des entretoises ll soudées sur les plaques assurent leur solidarisation. La plaque 7 est fixée à la virole externe 1 par une virole cylindrique 7A, munie d'un rebord soudé à la paroi interne de la virole externe et traversé de trous 7B de remplissage et de vidange permettant au sodium liquide d'entrer dans l'écran thermique lors du remplissage, d'en sortir lors de la vidange et d'y rester statique durant le fonctionnement de l'échangeur. Les tubes du faisceau tubulaire traver- sent les plaques à l'intérieur de fourreaux 12 sou- dés sur la plaque 7, traversant les plaques 10 et 8, et permettant une circulation ascendante du sodium liquide chaud vers les tétines 20 de la plaque tubu- laire (Figure 3). La virole 9 comporte à sa partie inférieure des orifices 9A. la traversée de la pla- que 8 par les fourreaux 12 laisse un jeu 8A; ces dispositions permettent le remplissage et la vidange du sodium de la zone située entre les plaques 7 et 8. De la manière habituelle, la zone annulaire 13 entourant l'extrémité de la plaque tubulaire est re- liée par une tubulure 14 à une réserve d'argon. Un tore perforé 15 de prélèvement de sodium pour analy- se est relié par une tubulure 15A à un appareil d'analyse (non représenté) , destiné à détecter les fuites éventuelles des soudures des tubes 4 sur les tétines 20. On assure une circulation de sodium au contact de ces soudures en créant une dépression dans la zone 13 par rapport à la zone de circulation de sodium au-dessous de la plaque 7, qui entraîne du 1S sodium provenant de cette zone à monter par les fourreaux 12 jusqu'à proximité des tétines de la plaque tubulaire. A cet effet, la zone 13 est reliée par une série de tubes périphériques 16, soudés sur des pattes 17 fixées sur la virole interne 5 (figu- re 2), à une zone annulaire 18 de l'échangeur, re- liée par des orifices 21 à une zone 22 entourant les tubes du faisceau, en aval du faisceau tubulaire, o la pression du sodium liquide est plus faible, du fait de la perte de charge. A titre d'exemple, alors que le sodium li- quide chaud pénètre dans l'échangeur à une tempéra- ture d'environ 525 C, le dispositif de protection qui vient d'être décrit ramène la température du so- dium liquide au contact direct de la plaque tubulai- re à environ 500 C. Ceci permet d'employer des pla- ques tubulaires en acier ferritique, à 2,25% de chrome et 1% de molybdène, au lieu d'acier austéni- tique, tout en évitant la décarburation de l'acier ferritique par le sodium chaud, qui serait notable à 5250C. Par ailleurs, le dispositif de protection par 6 2499212 les plaques minces parallèles protège la plaque tu- bulaire contre les chocs thermiques résultant de ré- gimes transitoires de fonctionnement, et permet de lui assigner un taux de travail admissible plus éle- vé que si elle était. directement au contact du so- -dium chaud à 525WC, notamment en ce qui concerne les tétines 20. D'autre part, la circulation de sodium as- surée par la dépression créée dans la zone annulaire- entourant la plaque tubulaire permet d'assurer un balayage efficace des soudures des tubes du faisceau aux tétines de la plaque tubulaire, et par suite une détection très rapide de toute fuite de ces soudu- res. Bien que le dispositif de protection qui vient d'être décrit en référence aux figures du des- sin paraisse la forme de réalisation préférable de l'invention, on comprendra que diverses modifica- tions peuvent lui être apportées sans sortir du ca- dre de l'invention, certains de ses organes pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient un r8le technique analogue. 7 2499212 REVENDICATIONS 1. Dispositif de protection de la plaque tubulaire (2) à l'extrémité chaude d'un échangeur de chaleur vertical à faisceau tubulaire entre de l'eau à vaporiser et surchauffer, circulant dans les tubes (4) du faisceau, et un métal alcalin liquide circu- lant en contre-courant autour des tubes, caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques parallèles (7, 8) perpendiculaires à l'axe de l'échangeur, réunies par une virole cylindrique mince (9), et dont l'une (8) est à proximité de la plaque tubulaire, et des moyens permettant une circulation ascendante du mé- tal alcalin liquide chaud à travers ces plaques pa- rallèles vers la plaque tubulaire. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les plaques parallèles sont traversées par des fourreaux (12) soudés sur au moins l'une d'elles entourant les tubes du faisceau tubulaire, et permettant une circulation ascendante du métal alcalin liquide chaud. 3. Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une plaque intermédiaire (10) disposée entre lesdites plaques parallèles, parallèlement à cel- les-ci. 4. Dispositif selon l'une des revendica- tions 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de mise en dépression de la zone au voisinage dudit dispositif de protection. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de mise en dépres- sion sont constitués par des tubes périphériques (16) reliant la zone (12) au voisinage du dispositif de protection à une zone annulaire (18) de l'échan- geur, elle-même reliée par des orifices (21) à une zone (22) entourant les tubes (.4): du faisceau. 6. Dispositif selon l'une des revendica- tions 1 à 5, caractérisé en ce qu'une virole cylin- drique (7A) de jonction de la plaque inférieure (7) avec la virole externe de l'échangeur est munie à sa partie inférieure de trous de remplissage et de vi- dange (7B) permettant au métal alcalin d'y entrer lors du remplissage et d'en sortir lors de la vidan- ge de l'échangeur de chaleur et d'y demeurer quasi- statique durant le fonctionnement.