Brevet FR2513001A1 — publié le 19830318

La présente invention a trait à l'élimination de l'hydro- gène, qui constitue la principale impureté, du réseau de re- froidissement secondaire d'un réacteur régénérateur à neu- trons rapides, refroidit par sodium liquide, qu'on chasse du- dit réseau par l'intermédiaire d'une phase gazeuse de couver- ture pour prolonger ainsi la longévité d'un piège à refroidis- sement secondaire. Dans le réseau de refroidissement secondaire d'un réac- teur régénérateur à neutrons rapides, il est prévu un généra- teur de vapeur dans lequel on assure, à travers la paroi d'un tube de transmission de chaleur, un échange de chaleur entre un réfrigérant du type sodium liquide et de l'eau D'après l'ex- périence précédemment acquise dans la conduite de réacteurs régénérateurs à neutrons rapides, on sait qu'une proportion ex- trêmement faible de la vapeur ainsi engendrée dans-le généra- teur de vapeur est décomposée et que de l'hydrogène, formé par cette décomposition de la vapeur, diffuse pour passer, à tra- vers la paroi du tube de transmission de chaleur du générateur de vapeur, dans le sodium présent dans le réseau secondaire. C'est l'hydrogène diffusant ainsi pour pénétrer dans le sodium du réseau secondaire qui représente la majeure partie des im- puretés présentes dans ce dernier Par conséquent, la majeure partie des impuretés recueillies dans un piège à refroidisse- ment secondaire, d'épuration du sodium du réseau secondaire, est constituée par de l'hydrogène Selon les résultats de cal- culs approximatifs de la vitesse de diffusion d'hydrogène, ef- fectués d'après les données recueillies lors d'expériences antérieures, on peut prévoir que, lorsque plusieurs années se sont écoulées après le début du fonctionnement d'un réacteur régénérateur à neutrons rapides, le piège à refroidissement se- condaire se trouve bouché par de l'hydrure et perd son aptitude à épurer le sodium. Suivant les techniques courantes, on substitue au piège à refroidissement ainsi bouché par les impuretés recueillies un nouveau piège à refroidissement Certes, le remplacement d'un piège à refroidissement ainsi bouché par des impuretés permet de rétablir le pouvoir d'épuration de sodium du système de piège à refroidissement, mais il implique un travail difficile de sectionnement des tuyaux de sodium secondaires De plus, les connaissances acquises sur les pièges à refroidissement ne per- mettent pratiquement pas de prévoir avec précision la longévi- té du piège à refroidissement Par conséquent, le risque de voir le piège à refroidissement en service se boucher à plus ou moins longue échéance oblige à fabriquer d'avance un piège à refroidissement de rechange. On a proposé ces dernières années de soumettre un piège à refroidissement bouché par des impuretés à une régénération thermique, au lieu de le remplacer Selon cette méthode, on met sous vide le piège bouché par les impuretés et on le chauf- fe en vue d'assurer la décomposition thermique des impuretés à base d'hydrogène recueillies, et l'on évacue par succion hors du réseau les impuretés à base d'hydrogène décomposées Cette méthode n'implique pas le sectionnement des tuyaux de sodium qu'exigerait le remplacement précité d'un piège à refroidisse- ment bouché par des impuretés En conséquence, cette méthode de régénération thermique est facile à mettre en oeuvre et per- met d'atteindre le but préfixé en un temps relativement bref. Toutefois il faut au moins plusieurs semaines pour régénérer complètement un piège à refroidissement par cette méthode ther- mique En raison de la corrosion par le sodium de la matière de garniture du piège, on ne saurait appliquer fréquemment cette méthode thermique. La présente invention a donc pour buts de proposer un procédé qui permette: d'éliminer aisément et efficacement l'hydrogène du réseau de sodium liquide de refroidissement secondaire d'un ré- acteur régénérateur à neutrons rapides à refroidissement par sodium liquide; d'éviter l'obturation du piège à refroidissement secon- daire d'un réacteur régénérateur à neutrons rapides par des im- puretés à base d'hydrogène, et de prolonger ainsi la longévité de ce piège; de prolonger la vie du piège à refroidissement second- daire d'un réacteur régénérateur à neutrons rapides sans le rem- placer ni le régénérer lorsqu'il est bouché par des impuretés à base d'hydrogène. Or, on peut remarquer, que lorsqu'un espace disponible dans un composant ou dispositif d'un réseau de refroidissement secondaire de réacteur régénérateur à neutrons rapides est rempli d'un gaz de couverture, tel que I'argon, et qu'un brouillard de sodium est engendré à partir de vapeurs évaporées du sodium liquide réfrigérant, ce brouillard se dépose sur la surface de la paroi du composant qui est en contact avec la phase gazeuse de couverture pour former constamment sur cette surface une couche de dépôt mince La demanderesse a constaté que ce dépôt de brouillard de sodium a le pouvoir d'absorber aisément l'hydrogène présent dans le gaz de couverture En ef- fet, les gouttes de sodium liquide absorbent aisément le gaz hydrogène ambiant pour former de l'hydrure de sodium Grâce à ce pouvoir dont il est doté, le dépôt de sodium, peut agir en absorbeur, c'est-à-dire en "dégazeur" ou "getter", vis-à-vis du gaz hydrogène présent dans le gaz de couverture. On a mis en oeuvre la présente invention en appliquant à l'élimination de l'hydrogène, du réseau de refroidissement se- condaire d'un réacteur, le pouvoir de captage d'hydrogène du dépôt de brouillard de sodium formé sur la surface de paroi d'un composant du réseau de refroidissement secondaire en-con- tact avec un gaz de couverture contenu dans ce composant. A cet effet, la présente invention concerne un procédé d'élimination des impure-tés à base d'hydrogène, du réseau de refroidissement secondaire-d'un réacteur régénérateur à neu- trons rapides, refroidit par sodium liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à prévoir dans ledit réseau de refroidissement secondaire un réservoir d'élimination d'hydrogène, ce réservoir présentant une entrée et une sortie de sodium liquide et contenant une phase gazeuse de couverture, la surface intérieure de ce réservoir qui est en contact avec la phase gazeuse de couverture portant un dépôt de brouillard de sodium, et capter le gaz hydrogène présent dans le gaz de couverture en exploitant le pouvoir de captage d'hydrogène du dépôt de brouillard de sodium présent sur la surface intérieure du réservoir. Selon des caractéristiques de l'invention, afin de libérer dans la phase gazeuse de couverture l'hydrogène ainsi capté par le dépôt de brouillard de sodium, on peut -chauffer par intermit- -tence la surface intérieure du réservoir, L'hydrogène libéré dans la phase gazeuse de couverture peut être évacué du réseau de refroidissement secondaire par substitution de gaz de cou- verture frais au gaz de couverture contenant de l'hydrogène, ou par épuration du gaz de couverture contenant de l'hydrogène à l'aide de moyens épurateurs appropriés. L'invention concerne également un dispositif d'élimina- tion des impuretés à base d'hydrogène, du réseau de refroidis- sement secondaire d'un réacteur régénérateur à neutrons rapi- des, refroidit par sodium, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir présentant une entrée de sodium et une sor- tie de sodium, ce réservoir étant incorporé audit réseau de refroidissement secondaire; une phase gazeuse de couverture prévue dans la partie su- périeure de ce réservoir; et un dépôt de brouillard de sodium formé sur la face in- térieure dudit réservoir qui est en contact avec ladite phase gazeuse de couverture, ce dépôt de brouillard de sodium étant formé par du sodium liquide introduit dans ledit réservoir et doté d'un pouvoir de captage d'hydrogène. Cependant, un réseau de refroidissement secondaire de réacteur régénérateur à neutrons rapides comporte généralement un échangeur de chaleur intermédiaire,un générateur de vapeur, un piège à refroidissement secondaire,une pompe à sodium méca- nique secondaire et analogues,ainsi que des tuyaux de sodium secondaires reliant entre eux ces composants Si une phase gazeuse de couverture est prévue dans chacun de ces composants,on peut mettre en oeuvre le procédé selon la présente invention en chauffant la surface intérieure de la paroi de l'un quelconquede ces composants,sans prévoir en outre leréservoir d'élimination d'hydrogène précité dans le réseau de refroidissement secondaire. On comprendra mieux ces buts'et aspects avantageux de l'invention, ainsi que d'autres, d'après la description donnée ci-dessous du-mode de mise en oeuvre préféré de l'invention en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un diagramme indiquant la concentration en gaz hydrogène d'un gaz de couverture; la figure 2 illustre un mode de mise en oeuvre de la présente invention; et - la figure 3 montre en section, une forme de réalisation particulière d'une paroi d'un réservoir d'hydrogène mis en oeuvre dans l'invention. La figure 1 indique les résultats d'une expérience ef- fectuée pour mesurer la concentration en gaz hydrogène d'un gaz de couverture (argon) présent dans un réservoir prévu dans un réseau de boucle de sodium comportant un piège à refroidis- sement (la température d'une toile d'acier inoxydable insérée dans ce piège à refroidissement est maintenue à 1500 C) Comme on le voit d'après le diagramme de la figure 1, la concentra- tion réelle en hydrogène (courbe B) d'un gaz de couverture est au moins égale à dix fois la valeur théorique (courbe A) de la concentration en hydrogène d'un gaz de couverture correspondant à l'équilibre avec la pression partielle de l'hydrogène contenu dans le sodium présent dans la boucle, quand la température du sodium est comprise entre 300 et 5000 C environ Bien qu'on ignore la cause de ce phénomène, il existe une concentration en hydrogène étonnamment haute dans la phase gazeuse de couverture présente dans un composant du réseau de refroidissement secon- daire D'une manière bien connue, un dépôt de brouillard de so- dium s'accumule constamment sur une faible épaisseur sur la surface d'une paroi de composant en contact avec la phase gazeuse de couverture. Comme précédemment exposé, le dépôt de brouillard de sodium a la propriété d'absorber aisément l'hydrogène présent dans un gaz de couverture Par conséquent, au cours du fonc- tionnement normal d'un réacteur régénérateur à neutrons rapides, de l'hydrogène se concentre graduellement En fait, l'hydrogène se concentre davantage dans le gaz de couverture que dans le sodium présent dans le réseau, et davantage dans le dépôt de brouillard de sodium que dans le gaz de couverture, du fait de la propriété précitée de ce dépôt. On a déterminé par expérimentation que, lorsqu'on chauffe l'hydrure de sodium ainsi concentré dans le dépôt de brouillard de sodium, il se décompose aisément en libérant 1 ' hydrogène qu'il contient Ce fait est illustré par la courbe C de la figure 1 Autrement dit, la courbe C montre que, lorsqu'- on chauffe un tel hydrure de sodium, la concentration en hydro- gène du gaz de couverture devient extrêmement élevée Au cours de l'expérience précitée, on a rapidement porté la température d'une paroi de réservoir, normalement maintenue à 1500 C, à 3500 C environ pour mesurer la concentration en hydrogène du gaz de couverture L'aire superficielle de la partie du réservoir en contact avec le gaz de couverture était d'environ 1,7 m 2, et l'épaisseur du dépôt de brouillard de sodium formé sur cette partie de la surface du réservoir était d'environ l mm Par conséquent, la quantité de sodium présente dans le brouillard de sodium, que l'on a calculé en supposant que le dépôt avait une densité apparente de 0,3, était d'environ 500 g. On va maintenent indiquer la température à laquelle on porte le dépôt de brouillard de sodium, c'est-à-dire à laquelle on porte la paroi intérieure d'un composant sur -lequel se dépo- se le brouillard de sodium Un hydrure commence normalement à se décomposer aux environs de 2500 C, mais en pratique on le porte à une température non inférieure à 3000 C Il n'existe pas de limite haute particulière à la température à laquelle on peut porter un hydrure pour le décomposer, mais pratiquement on adop- te une limite haute de température d'environ 5000 C Même quand la température de la surface de paroi atteint, pendant le fonctionnement normal du réacteur régénérateur à neutrons rapi- des, une valeur non inférieure à 300 C, on peut appliquer le procédé selon la présente invention en augmentant cette tem- pérature d'au moins de 1000 C environ. Ainsi, selon la présente invention, on libère l'hydrogè- ne condensé dans le dépôt de brouillard de sodium formé sur la surface d'une paroi qui est en contact avec une phase gazeuse de couverture dans un composant de réseau de refroidissemnt se- condaire pour le faire passer dans la phase gazeuse en portant le dépôt de brouillard de sodium à une température non inférieu- re à la température de décomposition de l'hydrure qu'il contient pendant un temps bref, à intervalles réguliers, par exemple d'un mois, et l'on remplace le gaz de couverture résultant par un gaz de couverture exempt d'impuretés à base d'hydrogène, afin d'éva- cuer immédiatement du réseau l'hydrogène contenu dans le gaz de couverture précédent On répète ces opérations par intermittence pendant le fonctionnement d'un réacteur régénérateur à neutrons rapides pour évacuer par intermittence l'hydrogène du réseau de refroidissement secondaire et alléger ainsi la tâche de collecte des impuretés à base d'hydrogène à partir du piège à refroidis- sement secondaire Il est ainsi possible de prolonger la longé- vité du piège à refroidissement. Un réseau de refroidissement secondaire de réacteur régé- nérateur à neutrons rapides comporte généralement un échangeur de chaleur intermédiaire, un générateur de vapeur, un piège à refroidissement secondaire, une pompe à sodium mécanique et analogues, ainsi que des tuyaux de sodium secondaires reliant entre eux ces composants Si une phase gazeuse de couverture est prévue dans chacun de ces composants, on peut mettre en oeuvre le procédé selon la présente invention en chauffant la surface intérieure de la paroi de l'un quelconque de ces com- posants. La mise en oeuvre du procédé selon la présente invention peut aussi comporter, de préférence, le chauffage de la surface d'une paroi d'un réservoir qui sert seulement à éliminer l'hy- drogène du sodium réfrigérant et est prévu additionnellement dans le réseau secondaire Un réservoir d'élimination d'hydro- gène il représenté sur la figure 2 comporte Une phase gazeuse 12 dans sa partie supérieure Du sodium 13 servant de réfrigérant est introduit dans l'intérieur du réservoir il pour y séjourner pendant un temps déterminé, puis en ressortir Un dispositif chauffant (non représenté), noyé dans la paroi du réservoir 11, permet de porter cette paroi à une température non inférieure à 3000 C environ Le réservoir 11 présente en outre des orifices d'admission 14 et de sortie 15 de gaz de couverture afin que l'on puisse opérer le remplacement du gaz de couverture au cours on peut, du chauffage de sa paroi /Ipour obtenir l'effet souhaité, placer ce réservoir d'élimination d'hydrogène il dans une partie quel- conque d'une boucle de réfrigérant secondaire, mais on le place de préférence comme indiqué sur la figure 2, en amont d'un piè- ge à refroidissement 16 et en aval d'un générateur de vapeur 17. La raison pour laquelle cette position est la plus indiquée est que, le générateur de vapeur 17 constituant la source d'o émane l'hydrogène qui va se mélanger avec le sodium dans le réseau se- condaire, comme précédemment indiqué, la concentration en im- puretés à base d'hydrogène devient élevée du côté d'aval de ce générateur On a représenté en 18 un échangeur de chaleur inter- médiaire, et en 19 une pompe secondaire Pendant le fonctionne- ment normal du réacteur régénérateur à neutrons rapides, le gaz hydrogène qui passe du sodium dans la phase gazeuse de couver- ture est absorbé dans le dépôt de brouillard de sodium qui se forme naturellement sur la partie de la face intérieure du résel voir 11 qui fait face à la phase gazeuse de couverture 12 On fait fonctionner périodiquement le dispositif chauffant noyé dans la paroi du réservoir 11, par exemple à raison d'environ une fois par mois, pour porter la paroi du réservoir à une tem- pérature non inférieure à 300 C et libérer le gaz hydrogène absorbé dans le dépôt de brouillard de sodium pour qu'il passe dans le gaz de couverture Simultanément, on introduit par l' orifice d'admission 14 un gaz de couverture exempt d'impuretés pour chasser immédiatement le gaz hydrogène libéré, avec le gaz de couverture, par l'orifice de sortie 15 On répète ces opération par intermittence pour chasser l'hydrogène contenu dans le sodium du réseau de refroidissement secondaire à l'ex- térieur de ce dernier, et prolonger ainsi la vie du piège à re- froidissement. Au procédé décrit ci-dessus de remplacement du gaz de couverture, on peut substituer un procédé d'épuration du gaz de couverture suivant lequel, après passage dans le gaz de couver- ture de l'hydrogène libéré par chauffage, on envoie le gaz de couverture chargé d'hydrogène dans un moyen épurateur approprié, tel par exemple que colonne garnie de catalyseur de platine- palladium, agent d'absorption d'hydrogène tel que métal suscep- tible d'hydrogénation et analogues, et l'on réutilise le gaz de couverture ainsi épuré dans la phase gazeuse de couverture du réservoir. Afin de chasser du réseau l'hydrogène libéré dans le gaz de couverture, on pourrait aussi envisager un procédé d'extrac- tion par succion du gaz de couverture chargé d'hydrogène. Toutefois, la mise sous dépression de l'intérieur d'un composant du réseau provoquerait la succion d'air extérieur dans ce dernier On ne saurait donc utiliser selon la présente inven- tion ce procédé d'extraction par succion. Comme mentionné précédemment, on utilise selon la pré- sente invention pour capter l'hydrogène le dépôt de brouillard de sodium formé sur une paroi en contact avec un gaz de cou- verture, de sorte que la quantité d'hydrogène recueilli aug- mente proportionnellement à la quantité de dépôt de brouillard de sodium Par conséquent, en vue d'augmenter la quantité de dépôt de brouillard de sodium, il est préférable d'augmenter J' aire superficielle de la paroi en contact avec le gaz de cou- verture Des modes d'augmentation de l'aire superficielle d' une telle paroi comportent, par exemple, celui consistant à prévoir dans le composant du réseau de refroidissement secon- daire une paroi intérieure à surface ondulée, ou celui con- sistant à plisser la surface inférieure d'une telle paroi On peut encore, comme illustré par la figure 3, fixer à la surface intérieure d'une telle paroi 20 une structure réticulée 21 en un matériau à haut coefficient de transmission de chaleur, tel qu'acier inoxydable Une telle structure réticulée peut être posée sans grande difficulté dans un réservoir d'élimination d'hydrogène il tel que représenté sur la figure 2. La présente invention, ayant trait à un procédé pour l'élimination d'hydrogène hors d'un réseau de refroidissement secondaire de réacteur régénérateur à neutrons rapides ayant la structure décrite ci-dessus, permet d'évacuer très aisément du réseau, en un temps bref, une quantité considérable d'hydrogène. En outre, le procédé peut être mis en oeuvre sans gêner en rien le fonctionnement du réacteur, et permet de prolonger la vie du piège à refroidissement secondaire Par conséquent, la mise en oeuvre du procédé selon l'invention permet de résoudre directe- ment divers problèmes posés par les pièges à refroidissement qui, selon la technique courante, sont fréquemment bouchés par des impuretés à base d'hydrogène et que l'on/peut, selon la techni- que courante, débarrasser de manière très satisfaisante de tel- les impuretés. De manière générale, les dispositions décrites se prêtent à diverses modifications sans sortir, pour autant, du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Procédé d'élimination des impuretés à base d'hy- drogène, du réseau de refroidissement secondaire d'un réacteur régénérateur à neutrons rapides, refroidit par sodium liquide, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant à prévoir dans ledit réseau de refroidissement secon- daire un réservoir d'élimination d'hydrogène ( 11), ce réservoir présentant une entrée et une sortie de sodium et contenant une phase gazeuse de couverture ( 12), la surface intérieure de ce réservoir qui est en contact avec la phase gazeuse de couver- ture portant un dépôt de brouillard de sodium; et capter l'hydrogène présent dans la gaz de couverture en exploitant le pouvoir de captage d'hydrogène du dépôt de brouillard de sodium présent sur la surface intérieure du réservoir. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte encore les opérations consistant à chauffer par intermittence la surface intérieure du- dit réservoir ( 11) pour libérer ainsi l'hydrogène capté par le- dit dépôt de brouillard de sodium et le faire passer dans la phase gazeuse de couverture ( 12); et évacuer dudit réseau l'hydrogène libéré dans la phase gazeuse de couverture en remplaçant le gaz de couverture chargé d'hydrogène par du gaz de couverture frais et/ou en épurant le gaz de couverture chargé d'hydrogène. 3 procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'opération de fixation à la surface inté- rieure ( 20) dudit réservoir d'élimination d'hydrogène ( 1 i) d' une structure réticulaire ( 21) en acier inoxydable, afin d'aug- menter la quantité de dépôt de brouillard de sodium. 4 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'interposition dudit réservoir d'élimination d'hydrogène ( 11) entre un générateur de vapeur ( 17) et un piège à refroidissement ( 16) tous deux incorporés audit réseau de refroidissement secondaire. 5 Procédé pour éliminer les impuretés à base d'hydro- gène du réseau de refroidissement secondaire d'un réacteur ré- générateur à neutrons rapides, à refroidissement par sodium, le- dit réseau de refroidissement secondaire comportant un com- posant qui contient une phase gazeuse de couverture ( 12), une surface intérieure de ce composant qui est en contact avec la phase gazeuse de couverture portant un dépôt de brouillard de sodium, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les opérations consistant à capter l'hydrogène présent dans le gaz de couverture en exploitant le pouvoir de captage d'hydrogène du dépôt de brouillard de sodium présent sur la surface intérieure du com- posant; chauffer par intermittence la surface intérieure dudit composant pour libérer ainsi l'hydrogène capté par le dépôt de brouillard de sodium et le faire passer dans la phase gazeuse de couverture; et évacuer du réseau l'hydrogène libéré dans la phase gazeuse en remplaçant le gaz de couverture chargé d'hydrogène par du gaz de couverture frais et/ou en épurant le gaz de cou- verture chargé d'hydrogène. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte l'opération de fixation d'une structure réticu- laire ( 21) en acier inoxydable à la face intérieure ( 20) dudit composant en vue d'augmenter la quantité de dépôt de brouillard de sodium. 7 Dispositif d'élimination des impuretés à base d'hydrogène, du réseau de refroidissement secondaire d'un réac- teur régénérateur à neutrons-rapides, refroidit par sodium; caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir ( 11) présentant une entrée de sodium et une sortie de sodium, ce réservoir étant incorporé audit réseau de refroidissement secondaire; une phase gazeuse de couverture ( 12) prévue dans la partie supérieure de ce réservoir; et un dépôt de brouillard de sodium formé sur la face intérieure dudit réservoir qui est en contact avec ladite phase gazeuse de couverture, ce dépôt de brouillard de sodium étant formé par du sodium liquide ( 13) introduit dans ledit réservoir et doté d'un pouvoir de captage d'hydrogène. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte encore: un moyen assurant le chauffage intermittent-de la surface intérieure dudit réservoir pour libérer l'hydrogène capté par le dépôt de brouillard de sodium et le faire passer dans la phase gazeuse de couverture; une entrée ( 14) et une sortie ( 15) de gaz de couver- tureen communication avec ladite phase gazeuse ( 12); et un moyen pour remplacer par intermittence le gaz de couverture chargé d'hydrogène présent dans ledit réservoir par du gaz de couverture frais, à travers lesdites entrée et sortie de gaz de couverture. 9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte encore un moyen pour chauffer par intermittence la surface intérieure dudit réservoir ( 11) afin de libérer l'hydrogène capté par le dépôt de brouillard de sodium pour qu'il passe dans la phase gazeuse de couverture ( 12); un moyen pour épurer le gaz de couverture chargé d'hy- drogène, ce moyen épurateur communiquant avec la phase gazeuse ( 12) dudit réservoir. 10 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit réservoir ( 11) est interposé entre un généra- teur de vapeur ( 17) et un piège à refroidissement ( 16) incor- porés audit réseau de refroidissement secondaire.