Brevet FR2513532A1 — publié le 19830401

PIEGE FROID. L'invention concerne un perfectionnement apporté à un piège froid, du type possédant une couche de gaz calorifuge entre une section de refroidissement destinée à refroidir un courant arrivant de sodium liquide et une section de piégeage, qui piège les impuretés se trouvant dans le sodium liquide. Un piège froid est un dispositif permettant d'épurer le sodium liquide en faisant précipiter les impuretés qui se trouvent dans le sodium du fait de la différence entre les solubilités à saturation (quand on refroidit à environ 1400 C du sodium liquide contenant des impuretés, ces dernières passent en sursaturation et se séparent par précipitation), et en piégeant les impuretés ainsi précipitées dans des mail- lages disposés dans une section de piégeage des impuretés, à basse température Dans les pièges froids classiques, tels qu'illustrés d'une manière représentative sur la Figure 1, il est prévu une couche de gaz calorifuge 3 entre une section de refroidissement 1 du sodium liquide arrivant et une section 2 de piégeage des impuretés de façon à empêcher l'échange de chaleur entre la section de piégeage des impuretés 2 (section à basse température) et la section de refroidissement du sodium 1, dont la température est plus élevée que celle de la section de piégeage Ainsi, on a rendu uniforme la tempéra- ture dans la section de piégeage des impuretés 2, dans laquelle se trouve le maillage, ce qui permet d'utiliser d'une manière efficace tout le volume du maillage pour piéger les impuretés Le numéro de repère 13 indique un conduit conducteur de la chaleur, dans lequel peut passer un gaz de refroidisse- ment, qui refroidit dans la section de refroidissement 1 le sodium liquide arrivant Les numéros de repère 14 et 15 indi- quent respectivement un conduit d'entrée du sodium et un conduit de sortie du sodium. La couche de gaz calorifuge 3 se compose d'une structure en double paroi, comprenant un cylindre intérieur et un cylin- dre extérieur, fermés en leurs deux extrémités, supérieure et inférieure Un gaz inerte, tel que l'argon ou l'azote, est enfermé dans l'espace se trouvant dans cette structure cylin- drique en double paroi Cet espace communique avec un réservoir i 3532 de gaz 5 situé à la partie supérieure du piège froid, par l'intermédiaire d'un conduit de compensation de pression 4, destiné à éliminer toute différence de pression existant entre le gaz calorifuge et le sodium, dans le but d'éliminer le risque d'avoir des contraintes excessives sur les côtés de la structure en double paroi. Cependant, dans ces pièges froids de l'état actuel de la technique, une grande différence de température entre le cylindre intérieur et le cylindre extérieur de la couche de gaz calorifuge 3 peut conduire à une déformation ou à une détérioration de ces éléments, car il y a une différence de dilatation ou de contraction thermique entre le cylindre inté- rieur et le cylindre extérieur Dans le cas le plus défavo- rable, le gaz calorifuge peut s'échapper, auquel cas il peut être remplacé par le sodium, ce qui altère l'effet calorifuge de la couche de gaz et la rend inapte à maintenir la section de piégeage des impuretés 2 à une température uniforme, avec comme conséquence un fonctionnement moins bon du piège froid. Ce phénomène se produit du fait de la plaque inférieure de fermeture 6, installée à l'extrémité inférieure de la struc- ture cylindrique en double paroi formant la couche de gaz calorifuge dans les pièges froids de l'état actuel de la technique, mais une telle plaque inférieure 6 est indispen- sable si l'on veut que le piège froid fonctionne convenable- ment. Dans ces circonstances, les pièges froids de l'état actuel de la technique sont soumis à une importante restric- tion du point de vue de l'utilisation: le système doit être exploité avec soin, pour s'assurer que la différence de tempé- rature entre le cylindre intérieur et le cylindre extérieur de la couche de gaz calorifuge ne dépasse pas une valeur pré- déterminée (habituellement de l'ordre de 60 C) quand la température du système augmente Ainsi, par exemple, dans un circuit d'épuration de l'équipement général d'essai d'une maquette de réacteur, il est impossible d'élever la tempéra- ture du sodium dans le circuit au-delà de 350 'C en marche normale, même si l'on a installé un économiseur sur le côté entrée du piège froid De même, quand on effectue un redémar- rage après un arrêt provisoire du système, provoqué par une panne de courant ou d'autres causes, il est nécessaire, avant d'effectuer le redémarrage pour faire circuler le sodium, d'abaisser la température du sodium dans le circuit jusqu'à une température proche de celle du piège froid, de façon à ne pas créer une différence de température supérieure à la différence de température prédéterminée par la couche de gaz calorifuge. L'invention a pour but de créer un piège froid perfec- tionné, qui ne soit pas grevé des restrictions liées à la température d'utilisation, qui possède une résistance mécani- que très élevée et les caractéristiques techniques d'une couche de gaz calorifuge spécialement conçue entre une section de refroidissement et une section de piégeage des impuretés. L'invention a aussi pour but de créer un piège froid perfectionné, dont la totalité de la construction interne soit simplifiée de façon à permettre une rationalisation de sa conception et de sa fabrication, et qui soit en outre conçu de façon à permettre une utilisation encore plus effi- cace de l'espace interne en tant que section de piégeage des impuretés. L'invention concerne à cet effet un piège froid du type décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comprend une sec- tion destinée au refroidissement du sodium liquide arrivant, une section destinée au piégeage des impuretés dans ce sodium liquide, et une structure cylindrique à double paroi disposée entre la section de refroidissement et la section de piégeage, l'espace situé à l'intérieur de la structure cylindrique à double paroi étant rempli d'un gaz calorifuge La structure cylindrique à double paroi est fermée en son extrémité supé- rieure mais ouverte en son extrémité inférieure, et il est prévu à l'extrémité inférieure ouverte de la structure à double paroi, ou au voisinage de l'extrémité inférieure ouverte, une zone élargie destinée à la mise en réserve du gaz calori- fuge. L'invention sera mieux comprise en regard de la descrip- tion ci-après et des dessins annexés, qui représentent des exemples de réalisation de l'invention, dessins dans lesquels: La Figure 1 est un schéma d'un piège frn-î- de l'état actuel de la technique; La Figure 2 est un schéma d'une forme de réalisation de l'invention; Les Figures 3 A et 3 B sont des schémas illustrant la relation qui existe entre la pression du sodium et le volume du gaz calorifuge; La Figure 4 est un schéma d'une autre forme de réalisa- tion de l'invention; et Les Figures 5 et 6 sont des schémas d'autres formes de réalisation, modifiées de l'invention. La Figure 2 présente schématiquement une forme de réali- sation de l'invention L'intérieur d'un corps cylindrique 10 possède une séparation coaxiale 10, formée d'une structure cylindrique à double paroi possédant une paroi intérieure 11 et une paroi extérieure 12, cette structurenà double paroi étaÈt fermée en son extrémité supérieure par une plaque termi- nale supérieure 20 L'extérieur de la structure forme une section de refroidissement 1 destinée à refroidir un courant arrivant de sodium liquide, la partie intérieure de cette structure constituant une section de piégeage 2 destinée à piéger les impuretés se trouvant dans le sodium liquide Ces sections 1 et 2 communiquent l'une avec l'autre dans la partie inférieure du corps 10 Il est prévu dans la section de refroi- dissement 1 un tuyau conducteur de chaleur 13, dans lequel passe un gaz de refroidissement Le sodium introduit dans le système à partir d'une tubulure 14 d'entrée du sodium s'écoule vers le bas dans la section de refroidissement 1, tout en y étant refroidi par l'échange de chaleur avec le gaz de refroidissement se trouvant dans le tuyau 13 Le sodium est ainsi refroidi à une basse température prédéterminée et atteint la partie inférieure de la section de refroidissement 1 La section de piégeage des impuretés 2, à basse température, est garnie d'un maillage en acier inoxydable, ou assimilé Le sodium liquide refroidi pénètre ensuite dans la section de piégeage 2, dans laquelle sont piégées les impuretés précipi- tées, et le sodium ainsi épuré est évacué par une tubulure 15 de sortie du sodium La construction et le fonctionnement décrits ci-dessus pour le piège froid selon l'invention sont les mêmes que ceux de l'état actuel de la technique, présentés sur la Figure 1. L'invention se distingué du piège froid de l'état actuel de la technique, présenté sur la Figure 1, essentiellement en ce que la structure cylindrique à double paroi comprenant la paroi intérieure 11 et la paroi extérieure 12 est ouverte en son extrémité inférieure, et qu'il est formé à l'extrémité inférieure ouverte de la structure à double paroi, ou au voisinage de cette extrémité inférieure ouverte, une partie élargie 16 destinée à la mise en réserve du gaz calorifuge. L'espace se trouvant entre la paroi intérieure 11 et la paroi extérieure 12, de même que l'intérieur de cette partie élargie 16, sont remplis d'un gaz calorifuge inerte. Pour introduire le gaz calorifuge inerte dans la struc- ture à double paroi, on procède comme suit: tout d'abord, on élimine l'air se trouvant dans le corps cylindrique 10, puis on le remplit d'un gaz inerte, tel que l'argon ou l'azote gazeux Le fait d'introduire le sodium liquide dans le corps cylindrique 10 par la tubulure d'entrée 14 et de l'évacuer par la tubulure de sortie 15 renferme ou confine le gaz inerte dans l'espace se trouvant dans la structure à double paroi, pour former une couche de gaz calorifuge 3 On peut évacuer le gaz inerte restant dans la partie supérieure de la section de refroidissement, par un petit tube 21 qui pénètre dans la couche calorifuge 3 et communique avec la section de piégeage 2. L'expression "la structure à double paroi est ouverte en son extrémité inférieure", telle qu'utilisée dans la pré- sente invention, se rapporte non seulement au cas dans lequel les extrémités inférieures des deux parois sont séparées l'une de l'autre comme il est indiqué sur la Figure 2, mais aussi à la situation dans laquelle ces extrémités de paroi, bien qu'apparemment fermées, peuvent entrer librement en contact En d'autres termes, cette expression doit s'entendre comme englobant toutes les dispositions possibles des extré- mités inférieures des deux parois, à l'exception du cas dans lequel les extrémités inférieures des parois sont fixées méca- niquement l'une à l'autre, car il n'y a aucune possibilité de création d'une contrainte thermique si les extrémités des parois sont simplement en contact Une telle disposition à double paroi selon l'invention peut éliminer le réservoir de gaz (portant le numéro de repère 5 sur la Figure 1) exigé par les pièges froids de l'état actuel de la technique, ce qui permet d'agrandir en conséquence le volume de la section de piégeage 2. Ainsi, selon l'invention, la paroi intérieure Il et la paroi extérieure 12 constituant la couche de gaz calorifuge 3 ne sont pas assemblées l'une à l'autre, mais sont séparées l'une de l'autre en leurs extrémités inférieures, de sorte que, même s'il y a une grande différence de dilatation provo- quée par la différence de température entre la paroi inté- rieure 11 se trouvant dans la section à basse température et la paroi extérieure 12 se trouvant dans la section à haute température, la totalité de la structure de paroi échappe aux effets d'une contrainte excessive, car les deux parois sont indépendantes l'une de l'autre De même, comme la partie élargie 16 est prévue au voisinage de l'extrémité inférieure du corps cylindrique 10 pour augmenter le volume de la partie inférieure de la couche de gaz calorifuge, le dispositif peut facilement s'adapter à toutes modifications éventuelles de la pression du sodium. Les Figures 3 A et 3 B montrent comment se fait cette adaptation La Figure 3 A présente le cas o la pression du sodium est faible, et la Figure 3 B le cas o la pression du sodium est élevée Même quand la pression du sodium augmente, le gaz calorifuge ne subit pas une compression au-delà de l'extrémité inférieure de la section de piégeage 2, en raison de la présence de la partie élargie 16 faisant office de réservoir pour le gaz calorifuge (voir Figure 3 B) Si cette partie élargie faisant office de réservoir pour le gaz calo- rifuge n'était pas prévue, le gaz se trouvant dans la couche de gaz calorifuge subirait une compression lors de l'augmen- tation de la pression du sodium, de sorte que du sodium pénétrerait dans la couche de gaz calorifuge et créerait un échange&de chaleur entre la section à haute température et la section à basse température du circuit du sodium Il en résulte une impossibilité de rendre uniforme la température dans la section de piégeage, ce qui ne permet pas une utilisa- tion optimale du piège froid Les arrangements décrits ci- dessus selon l'invention permettent au dispositif d'échapper à ce problème Habituellement, la distance entre la paroi intérieure 11 et la paroi extérieure 12 constituant la couche de gaz calorifuge est d'environ 10 mm, ce qui n'entraîne aucune difficulté au niveau de la conception et de la fabrica- tion du dispositif pour agrandir la partie élargie 16 rete- nant le gaz, de façon à empêcher que la couche de gaz ne subisse une compression au-delà de l'extrémité inférieure de la section de piégeage des impuretés 2 quand la pression du sodium augmente. Dans le piège froid selon l'invention, la configuration de la partie élargie 16 faisant office de réservoir pour le gaz calorifuge n'est pas limitée à ce qui est présenté sur les Figures 2, 3 A et 3 B Il est possible d'utiliser une autre configuration quelconque, du moment qu'elle permet de ne pas compromettre l'effet de la couche de gaz calorifuge quand la pression du sodium augmente, c'est-à-dire qui soit à même d'empêcher une pénétration du sodium dans la zone située au- delà de l'extrémité inférieure de la section de piégeage des impuretés 2 La Figure 4 présente un exemple représentatif d'une configuration de ce genre, dans laquelle l'extrémité inférieure de la structure à double paroi n'est pas élargie, mais possède une partie en saillie 16, formée légèrement au- dessus de l'extrémité inférieure de la structure à double paroi Il est bien entendu qu'avec cette configuration, il est aussi possible d'empêcher que le niveau du sodium ne monte au-delà de la section de piégeage des impuretés 2 quand la pression du sodium augmente. La Figure 5 présente une autre forme de réalisation du piège froid selon l'invention, dans laquelle il est prévu aussi une couche de gaz calorifuge 3 a au-dessus de la partie terminale supérieure de la section de piégeage des impuretés 2 Plus précisément, la partie terminale supérieure de la structure à double paroi s'étend horizontalement vers l'inté- rieur de façon à recouvrir la partie terminera supérieure de la section de piégeage 2 La configuration présentée sur la Figure 5 améliore l'effet d'isolation thermique au niveau de la partie supérieure de la section de piégeage 2. L'on obtient aussi une amélioration de l'effet d'isola- tion thermique au niveau de la partie supérieure de la sec- tion de piégeage 2 grâce à la forme de réalisation présentée sur la Figure 6, dans laquelle l'extrémité inférieure 15 a de la tubulure 15 de sortie du sodium descend légèrement jusqu'à l'intérieur de la section de piégeage 2 Quand on introduit d'abord du sodium liquide dans le corps cylindrique -10 par la tubulure d'entrée 14 et qu'on l'évacue par la tubulure de sortie 15, le gaz inerte se trouvant dans l'espace situé entre la plaque terminale supérieure 20 et l'extrémité infé- rieure de la tubulure de sortie 15 n'est pas évacué, de façon à servir de couche de gaz inerte 22 dans la partie terminale supérieure de la section de piégeage 2 Cette couche de gaz inerte supérieure 22 crée un effet d'isolation thermique, de la même manière que la couche de gaz calorifuge 3 a présentée sur la Figure 5. Le piège froid selon l'invention construit comme décrit ci-dessus est essentiellement débarrassé de toutes restric- tions concernant la résistance des éléments de la couche de gaz calorifuge aux contraintes thermiques, et il est très facile à exploiter En outre, dans l'état actuel de la techni- que, il est essentiel, pour éviter la création d'une différence de pression entre le gaz calorifuge et le sodium, d'avoir un circuit de gaz comprenant un tube de compensation de pression et un réservoir de gaz situé au-dessus du piège froid Dans le piège froid selon l'invention, on peut éliminer ce circuit de gaz, ce qui permet de simplifier la structure interne du dispositif et de faciliter sa conception et sa construction, tout en lui permettant d'atteindre des performances optimales de piégeage des impuretés, pour une configuration et des dimensions identiques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes 13532 de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'inven- tion. Revendications 1 Piège froid comprenant une section ( 1) pour refroidir le sodium liquide arrivant, une section ( 2) pour piéger les impuretés précipitées se trouvant dans ce sodium liquide, une tubulure ( 14) d'entrée du sodium communiquant avec la section de refroidissement, une tubulure ( 15) d e sortie du sodium communiquant avec la section de piégeage, et une structure cylindrique à double paroi ( 11, 12) disposée entre la section de refroidissement et la section de piégeage, cette structure à double paroi étant remplie d'un gaz calorifuge ( 3), piège froid caractérisé en ce que la structure cylindrique à double paroi est fermée en son extrémité supérieure mais ouverte en son extrémité inférieure, une partie élargie ( 16) destinée au stockage du gaz calorifuge étant formée à l'extrémité infé- rieure ouverte de la structure à double paroi et/ou en son voisinage. 2 Piège froid selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure cylindrique à double paroi comprend un cylindre extérieur ( 12) et un cylindre intérieur ( 11), la section de refroidissement étant placée à l'extérieur du cylindre extérieur et la section de piégeage étant placée à l'intérieur du cylindre intérieur. 3 Piège froid selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie élargie est formée légèrement au-dessus de l'extrémité inférieure ouverte de la structure à double paroi. 4 Piège froid selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité supérieure ouverte de la structure à double paroi s'étend horizontalement vers l'intérieur pour recouvrir la partie terminale supérieure de la section de piégeage des impuretés. Piège froid selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une extrémité inférieure de la tubulure de sortie du sodium pénètre légèrement à l'intérieur de la section de piégeage des impuretés.