Brevet FR2508600A1 — publié le 19821231

La présente invention concerne un procedé et un dispositif de brassage du sodium liquide en circulation dans le circuit primaire dtun générateur de vapeur. Les générateurs de vapeur utilisant comme fluide primaire du sodium liquide sont utilisés notamment dans les centrales nucléaires du type a- neutrons rapides. Dans de telles centrales, le sodium liquide est un fluide caloporteur particulièrement approprié, du fait de sa tres bonne conductiblité thermique, pour evacuer dans de bonnes conditions la quantité de chaleur produite dans le coeur du réacteur. Ge sodium liquide ainsi chauffé soit directement par le coeur du réacteur, soit par l'intermédiai- re d'échangeurs primaires, cède ensuite sa chaleur dans un générateur de vapeur avant de retourner vers le réacteur.Les générateurs de vapeur pour de telles centrales, ont donc un circuit primaire comprenant comme fluide caloporteur du sodium liquide et un circuit secondaire dans lequel de liteau est transformée en vapeur, cette vapeur servant à entrainer les turbines de la centrale. De tels générateurs de vapeur du type "sodium-eau" sont constitués généralement dtun circuit primaire composé d'une enceinte cylindrique allongée dans laquelle circule le sodium liquide, et d'un circuit secondaire composé d'une pluralité de tubes s'étendant à ltintérieur de l'enceinte cylindrique, le sodium liquide chaud entourant les tubes cèdant sa chaleur en transformant liteau qui circule à l'intérieur de ces tubes en vapeur. Dans de tels générateurs de vapeur, un problème délicat réside dans le fait que la quantité de chaleur transmise par le sodium aux différents tubes doit être sensiblement la mese pour tous ces tubes. En effet, si certains tubes reçoivent une quantité de chaleur nettement plus grande que dtau- tres, il en résulte des dilatations différentes des tubs, ce qui peut entrainer dans les structures des contraintes anormalement élevées. Ce problème de la bonne répartition de la chaleur entre les différents tubes est particulièrement important dans Ie cas de générateurs de vapeur à tubes droits soudés aux deux extrémités à deux plaques tubulaires.Or, dans un tel gén8- rateur à tubes droits, si une réparation d'un tube défectueux a consisté à isoler ce tube, il se crée autour de lui un canal de sodium plus chaud qui peut entrainer la détérioration des tubes voisins si aucun brassage efficace du sodium n'est prévu. Il est connu d'utiliser, dans le circuit primaire des générateurs de vapeur de ce type, des grilles de distribution du sodium liquide disposées perpendiculairement au déplacement du sodium liquide et servant à uniformiser le débit de sodium liquide en tout point du faisceau tubulaire. Il est connu par ailleurs de disposer, en plus des grilles de distribution, à l'intérieur du circuit primaire, un ou plusieurs écrans destinés à provoquer des déplacements radiaux du sodium liquide durant sa circulation à l'intérieur du circuit primaire. Dans le cas d'un générateur de vapeur dont le circuit primaire est constitué dtune enceinte cylindrique allongée, il est connu de disposer les écrans à l'intérieur de cette enceinte cylindrique, ces écrans ayant la forme de disques dont certains laissent passer le sodium liquide au niveau de leur zone périphérique et d'autres disques laissent passer le sodium liquide au niveau de leur zone centrale, ces deux types d'écran étant disposés alternativement, de façon que le sodium liquide se déplace radialement, successivement, vers ltintérieur et vers l'exté- rieur, afin d'obtenir un brassage efficace. Ce dispositif connu de brassage imprimant au sodium liquide un déplacement purement radial symétrique par rapport à l'axe central longitudinal du circuit primaire a pour conséquence qu'une veine de sodium liquide ne balaye que les tubes situés sur un même plan radial, et ne donne pas ainsi une uniformisation maximum de la température. La présente invention vise à pallier cet inconvénient. Elle concerne donc un procédé de brassage du sodium liquide dtun générateur de vapeur comprenant un circuit primaire constitué d'une enceinte cylindrique allongée dans laquelle circule le sodium liquide, et un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes s'étendant à 11 intérieur de l'enceinte cylindrique allongée. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le procédé de brassage consiste à donner au sodium liquide, pendant sa circulation dans l'enceinte cylindrique, simultanément un mouvement de rotation continue autour de ltaxe longitudinal de l'enceinte cylindrique et une suite alternée de mouvements radiaux centripètes et centrifuges par rapport audit axe longitudinal, afin que chaque quantité élémentaire de sodium rencontre un grand nombre de tubes. La présente invention concerne aussi un dispositif de brassage de sodium liquide d'un générateur de vapeur comprenant un circuit primaire constitué d'une enceinte cylindrique allongée dans laquelle circule le sodium liquide, un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes sté- tendant à l'intérieur de 11 enceinte cylindrique allongée, une suite d'écrans en forme de disques disposés dans l'enceinte cylindrique, perpendiculairement à son axe longitudinal, au travers desquels passent les tubes du circuit secondaire, ces écrans comprenant chacun une zone de résistance au fluide laissant passer un débit faible ou nul de sodium, la partie restante de l'écran laissant passer un débit important de sodium. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, ce dispositif de brassage du sodium liquide est tel que les écrans sont de deux types distincts, le premier type comprenant une zone d'opposition au passage du fluide s'étendant à la fois sur un secteur du disque et sur sa région centrale, le second type d'écran comprenant une zone d'opposition au passage du fluide s'étendant seulement sur un secteur du disque sans s'étendre sur sa région centrale, ces écrans du premier type et du second type étant disposés à la suite l'un de l'autre, de façon alternée, la position angulaire des écrans étant telle que leurs secteurs soient décalés angulairement, ltun par rapport au suivant, d'une valeur constante, de façon à former ainsi pour le sodium liquide un chemin préférentiel en forme d'hélices qui s'approchent et s'éloignent alternativement de l'axe longitudinal de ltenceinte, afin que chaque quantité élémentaire de sodium rencontre un grand nombre de tubes. D'autres avantages propres à cette invention àpparattront lors de la description détaillée de ltexemple de réalisation qui va suivre, illustré par les figures annexées. La figure l est une coupe longitudinale partielle d'un générateur de vapeur. La figure 2 représente un écran pour le brassage du sodium. La figure 3 représente un autre écran de forme différente pour le brassage du sodium. En se reportant à la figure 1, nous allons décrire le procédé et le dispositif de brassage du sodium liquide conformes à notre invention. La figure l ne représente pas l'ensemble du générateur de vapeur mais seulement la zone centrale dans laquelle s'effectue l'échange thermique entre le fluide du circuit primaire et le fluide du circuit secondaire. Nous distinguons une enveloppe cylindrique 3 de forme allongée, disposée verticalement, et qui constitue la structure principale du générateur de vapeur. Cette enveloppe cylindrique 3 définit à l'intérieur une chambre 5 dans laquelle circule longitudinalement du sodium liquide chaud. Cette chambre 5 constitue le circuit primaire du générateur de vapeur. A l'intérieur de cette chambre 5, sont disposés une pluralité de tubes 4 espacés régulièrement et s'étendant longitudinalement. Nous n'avons pas représenté la totalité des tubes 4 mais seulement quelques uns pour montrer leur disposition. A l'intérieur de ces tubes 4 circule de l'eau sous pression qui, par échange thermique avec le sodium liquide qui entoure les tubes 4, est transformée en vapeur. Cette disposition de lten- veloppe cylindrique 3 et des tubes 4 est, pour un générateur de vapeur, très classique.Pour cette raison, nous n'avions pas représenté les extrémités inférieure et supérieure de ce générateur de vapeur qui comprennent, de façon tout-à-fait classique, une chambre d' introduction du sodium, une chambre d'évacuation du sodium à l'autre extrémité, une chambre d' introduc- tion de l'eau alimentaire communiquant avec les tubes, et une chambre d'e- vacuation de la vapeur communiquant avec les tubes à l'autre extrémité. Nous pouvons préciser aussi que d'une façon bien connue la circulation du sodium liquide du circuit primaire s'effectue à contre-courant de la circulation de liteau transformée en vapeur du circuit secondaire. Par consequent dans un générateur de vapeur tel que représenté en figure l, le sodium liquide circule globalement, dans la chambre 5, depuis le haut vers le bas, et l'eau transformée en vapeur circule dans les tubes 4 depuis le bas vers le haut. A partir de cette structure classique du générateur de vapeur, nous allons décrire maintenant la manière dont se déplace le sodium liquide à ltintérieur de la chambre 5, ce qui est ltobjet de notre invention. Si le générateur de vapeur est constitué uniquement de l'enveloppe cylindrique 3 et des tubes 4, le sodium liquide circule depuis le haut vers le bas en suivant un chemin assez peu défini, il y a alors beaucoup de chance pour que chaque quantité élémentaire de sodium suive un chemin pratiquement longitudinal, ctest-à-dire suive la direction des tubes 4. La présente invention vise à disposer divers éléments à l'intérieur de la chambre 5 en vue d'éviter un mouvement longitudinal du sodium liquide qui peut présenter certains inconvénients.Un des inconvénients réside dans le fait que, si lors d'une inspection du générateur de vapeur, il a été détecté une fuite dans l'un des tubes 4, et que la réparation qui s'en est suivie a eu pour objet d'isoler ce tube défectueux en l'obturant à ses deux extrémités, un tel tube isolé a donc, lors du fonctionnement du générateur de vapeur, une température qui diffère beaucoup de celle des tubes voisins, puisque le tube isolé ne contient plus de l'eau en circulation. Il se produit alors, autour du tube isolé, un canal de sodium de température élevée qui modifie la température des tubes voisins, ce qui entraine des contraintes anormales, par différence de dilatation.La demanderesse a eu, en conséquence, l'idée d'imprimer au sodium liquide en circulation dans la chambre 5, divers mouvements qui sont tels que chaque quantité élémentaire de sodium liquide rencontre un grand nombre de tubes durant sa circulation dans la chambre 5. Le mouvement qui est imposé au sodium liquide durant sa circulation est un mouvement qui est à la fois de rotation continue autour de l'axe longitudinal 6 de l'enceinte cylindrique 3 et une suite alternée de mouvements radiaux centripètes et centrifuges par rapport audit axe longitudinal 6. Pour générer un tel mouvement combiné du sodium liquide, il est prévu, à l'intérieur de enceinte cylindrique 3, diverses pièces que nous allons decrire maintenant. Les pièces destinées à dévier le sodium liquide durant sa circulation dans la chambre S sont constituées de disques dont le diamètre est sensiblement égal au diamètre intérieur de l'enveloppe cylindrique 3, et qui sont disposés perpendiculairement à l'axe longitudinal 6 du générateur de vapeur. Ces disques sont constitués d'éléments de deux types différents, disposés alternativement à la suite les uns des autres à ltintérieur de I'enveloppe cylindrique 3. Les disques du premier type la, lb, ic sont tous de forme identique et sont représentés en figure 2. Les disques du second type 2a, 2b, 2c, 2d sont tous de forme identique et sont représentés en figure 3.Ces disques forment tous, en fait, un écran dissymétrique qui s'oppose en partie au déplacement du sodium liquide. Chaque disque, qu'il soit d'un type ou de l'autre comporte deux zones, la première zone 7 est une zone de résistance au fluide qui laisse passer un débit faible ou nul de sodium, l'autre zone 8 restante laisee passer un débit important de sodium. Bien entendu, la zone de résistance au fluide 7, même si elle est étanche au sodium, comporte des orifices laissant passer les tubes 4 qui traversent de part en part ltensemble des disques. Les disques du premier type la, lb, lc qui sont visibles en perspective sur la figure l ou en vue de face sur la figure 2, sont constitués d'une zone d'opposition au passage du fluide qui s'étend à la fois sur un secteur 10 du disque et sur sa région centrale 9. Les disques du deuxième type 2a, 2b, 2c, 2d qui sont visibles en perspective sur la figure 1 et en vue de face sur la figure 3 comprennent une zone d'opposition au passage du fluide 7 qui s'étend seulement sur un secteur du disque 12 sans sur sa région centrale 11. De préférence, les zones centrales (9 ou ll) sont de forme circu laire, dont le diamètre est nettement inférieur au diamètre de l'écran, et les secteurs (10 ou 12) sont limités angulairement environ sur un quart de tour, par des segments de droites qui suivent un rayon du cercle délimitant l'écran(1 ou 2). Sur la figure 1 nous voyons d'autre part la disposition angulaire relative des différents disques disposés successivement dans l'enceinte 3. Cette disposition angulaire des disques est telle que leurs secteurs 10 ou 12 soient décalés angulairement ltun par rapport au suivant, d'une valeur constante, de façon à former ainsi, pour le sodium liquide, un chemin préférentiel en forme d'hélice . On voit en effet aisément sur la figure 1 que le cheminement du sodium liquide s'effectue selon une direction de moindre résistance, et par conséquent selon un chemin globalement hélicoidal imaginé par les flèches 13. Comme, d'autre part, le sodium liquide rencontre durant son chemin descendant, successivement, un disque présentant une zone centrale d'opposition à son passage, puis un disque présentant une zone centrale ne s'opposant pas à son passage, il en résulte un déplacement successif du sodium liquide radialement en direction de l'extérieur et en direction du centre.Chaque quantité élémentaire de sodium liquide parcourt donc un chemin en forme d'hélice qui s'approche et stéloigne alternativement de l'axe 6 de l'enceinte. Ce parcours complexe du sodium liquide ne présentant aucune symétrie provoque donc une très bonne répartition sur l'ensemble des tubes 4 de la quantité de chaleur qiil leur communique, et par conséquent provoque une dilatation très uniforme de tous les tubes 4, ce qui évite des contraintes internes dans la structure. Bien sûr on peut imaginer d'autres formes constructives des éléments disposés à lintérieur de la chambre 5, pourvu que ces formes soient telles pi'elles impliquent au sodium liquide un mouvement en forme d'hélice qui s'approche et s'éloigne alternativement de l'axe de l'enceinte. On peut remarquer par ailleurs que, dans des générateurs de vapeur de ce type, il est en principe indispensable de disposer à l'intérieur de l'enceinte cylindrique des grilles entretoises destinées à maintenir les tubes selon une disposition régulièrement espacée. Les disques l, 2 conformes à notre invention peuvent donc à la fois servir écrans destinés à générer le mouvement complexe du sodium liquide et de grilles entretoises destinées à maintenir les tubes régulièrement espacés. Selon un mode de réalisation particulier des disques 1, 2 confor ces mes à l'invention, il est prévu que/disques soient formés dtune plaque percée de trous régulièrement espacés au travers desquels passent les différents tubes 4. La zone 8 comporte, outre les trous de guidage destubes, des passages de section importante pour la circulation du sodium situés, soit entre les passages de tube, soit autour de ceux-ci sous forme d'échancrures ne laissant subsister qu'une partie de la paroi du trou. La zone 7 ne comporte pratiquement que les trous de guidage des tubes, ou tout au plus des pas sa ges de faible section. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui viennent d'hêtre décrits, elle en comporte au contraire toutes les variantes, et l'on peut modifier les points de détail sans pour autant sortir du cadre de ltin- vent ion. Il est possible en effet d'appliquer les dispositions de la présente te 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 4 sont disposés autrement que parallèlement à l'axe du générateur de vapeur, par exemple disposés en forme de U. REVENDICATIONS 1.- Procédé de brassage du sodium liquide d'un générateur de vapeur comprenant un circuit primaire constitué d'une enceinte cylindrique allongée dans laquelle circule le sodium liquide, un circuit secondaire constitué dtune pluralité de tubes s'étendant à l'intérieur de l'enceinte cylindrique allongée, caractérisé en ce qui consiste à donner au sodium liquide, pendant sa circulation dans l'enceinte cylindrique, simultanément un mouvement de rotation autour de l'axe longitudinal de l'enceinte cylindrique et une suite alternée de mouvements radiaux centripètes et centrifuges par rapport audit axe longitudinal, afin que chaque quantité élémentaire de sodium rencontre un grand nombre de tubes. 2.- Dispositif de brassage du sodium liquide d'un générateur de vapeur comprenant un circuit primaire constitué d'une enceinte cylindrique allongée (3) dans laquelle circule le sodium liquide, un circuit secondaire constitué d'une pluralité de tubes (4) s'étendant à l'intérieur de lencein- te cylindrique allongée, une suite d'écrans (1, 2) en forme de disques disposés dans l'enceinte cylindrique, perpendiculairement à son axe longitudinal, au travers desquels passent les tubes du circuit secondaire, ces écrans comprenant chacun une zone d'opposition au passage du fluide (7) laissant passer un débit faible ou nul de sodium, la partie restante (8) de l'écran laissant passer un débit important de sodium, caractérisé par le fait que ces écrans sont de deux types distincts, le premier type (1) comprenant une zone d'opposition au passage du fluide s'étendant à la fois sur un secteur (10) du disque et sur sa région centrale (9), le second type (2) d'écran comprenant une zone d'opposition au passage du fluide s'étendant seulement sur un secteur (12) du disque, sans s'étendre sur sa région centrale (11), que ces écrans du premier type et du second type sont disposés à la suite l'un de l'autre de façon alternée (2a, la, 2b, lb, etc ...) et quten outre la position angulaire des écrans est telle que leurs secteurs soient décalés angulairement, ltun par rapport au suivant, de façon à former ainsi pour le sodium liquide un mouvement préférentiel de rotation (13) autour de l'axe longitudinal qui s'approche et stéloigne alternativement de l'axe de l'enceinte. 3.- Dispositif de brassage du sodium liquide d'un générateur de vapeur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdites zones d'opposition centrales (9, 11) sont de forme circulaire, dont le diamètre est inférieur au diamètre de l'écran, et les secteurs (10, 12) sont limités angulairement par des segments de droites sui suivent un rayon du cercle délimitant l'écran.