Brevet FR2532629A1 — publié le 19840309

Dispositif de réduction des contraintes thermiques dans la paroi d'un appareil partiellement rempli de liquide La prenante invention concerne un dispositif de réduction des contraintes thermiques dans la zone du niveau libre d'une paroi interne d'un appareil partiellement rempli de liquide bon conducteur de la chaleur. Dans de tels appareils, le liquide, généralement un sel fondu ou un métal liquide tel que le sodium, est surmonté d'une atmosphère gazeuse constituée habituellement d'un gaz neutre tel que l'argon. Des études de la Demanderesse ont montré que cette zone était le siège de contraintes thermiques importantes - en régime stationnaire, sans variation de température ou de niveau du liquide, à cause d'une variation brutale de température le long de la paroi du fait des échanges thermiques avec l'atmosphère extérieure, lorsque l'on s'éloigne de la partie de la paroi baignée par le liquide, - en régime transitoire, lorsque le niveau de liquide varie dans le temps, même sans variation de sa température, du fait que le liquide vient lécher une partie de la paroi jusque-là baignée par le gaz et à une température différente, et même sans variation du niveau, lorsque la température du liquide varie dans le temps. La mauvaise transmission de chaleur dans la paroi, généralement en acier, crée une variation rapide de la température de la paroi entre la partie de celle ci au contact du liquide, qui suit très vite la variation de température de ce dernier, et la partie de cette paroi au contact de l'atmosphère gazeuse, dont la température tend, du fait du faible coefficient de transfert de chaleur dans le gaz par convection, rayonnement et conduction, à ne se modifier que très lentement. Ces causes de contraintes thermiques peuvent naturellement s'ajouter. On connait des écrans thermiques destinés à protéger des gradients thermiques l'épaisseur de la paroi, formés soit par une protection métallique collée à la paroi introduisant un retard à la transmission de la chaleur et une diminution des échanges de chaleur entre le liquide et la paroi, soit par un matelas de liquide statique situé en-dessous du niveau libre habituel. Si un écran thermique de l'un de ces genres connus permet de réduire les contraintes dues aux gradients thermiques dans l'épaisseur de la paroi, il est peu efficace à l'encontre des contraintes thermiques résultant de la répartition axiale de température de la paroi. Ces contraintes peuvent engendrer des déformations de la paroi. La présente. invention a pour but de remédier à ces dificultes, et de réduire dans une très large mesure les contraintes thermiques dans la paroi de l'appreil dans la zone de son niveau libre, quelle que soit leur origine, par l'adjonction à l'effet classique d'écran thermique radial d'un effet "caloduo" d'homogénéisation axiale des températures, et par là d'éviter des déformations de cette paroi. L'effet "caloduc" s'exerçant dans toutes les directions est égalament efficace s'il est nécessaire d'effectuer une homogénéisation circonférentielle de température de la paroi de l'appareil au contact du liquide. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une cloison parallèle à cette paroi, s'étendant de part et d'autre du niveau moyen de liquide dans l'appareil et définissant avec la paroi de l'appareil une chemise annulaire, et une réserve de liquide statique emprisonnée dans cette chemise annulaire, s'élevant jusqu'audessus de la zone d'établissement normal du niveau liquide, ainsi qu'au moins un passage permettant l'introduction du liquide dans la chemise annulaire. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéristiques suivantes - Ledit passage est disposé au point le plus élevé de la chemise annulaire. Il est alors disposé avantageusement dans la réserve de liquide un tube plongeur raccordé à l'extérieur de l'appareil, ce tube étant, - soit normalement obturé, et susceptible de permettre si nécessaire d'extraire le liquide de la réserve dans les circonstances nécessitant une purification de ce liquide, - soit normalement alimenté par un debit calibré de liquide assurant un renouvelement lent mais régulier de la réserve de liquide et permettant d'éviter l'accumulation locale d'impuretés éventuelles. - Ledit passage est disposé au point le plus bas de la chemise annulaire, et le dispositif comprend en outra des moyens d'aspiration dans ladite chemise de liquide du réservoir dans ladite chemisa. - Il comprend des organes réduisant les courants de convection dans ladite réserve, tels que des ailettes horizontales ou un dispositif en nid d'abeilles. Il est décrit ci après, à titre d'exemple et an référence aux figures du dessin annexé, deux dispositifs de réduction des contraintes thermiques dans la zone du niveau libre d'une paroi de réservoir de sodium liquide. La figure 9 représente en élévation avec coupe partielle un réservoir de sodium liquida muni d'un dispositif de réduction des contraintes thermiques à 1'aide d'une chemise de sodium liquide stationnaire, ouverte vers le haut. La figure 2 représente un réservoir de sodium liquide analogue à celui de la figure 1, mais dans lequel la chemise de sodium liquide stationnaire communiqua par le bas avec le bain du réservoir. La figure 3 représente une variante du dispositif de la figure 1, muni d'ailettes qui réduisent les courants de convection verticaux dans le sodium stationnaire de la chemise. Le dispositif de la figure 1 convient dans le cas où le niveau de métal liquide est susceptible exceptionnellement de monter dans l'appareil au-delà de la zone que l'on veut protéger, par exemple pour les réservoirs permettant la vidange de certaines installations. La constitution de la réserva de métal liquide statique s'effectue alors automatiquement lors du premier remplissage de l'appareil. Dans cette figure, le réservoir cylindrique 1 contient un bain de sodium liquide 2, de niveau libre 3, surmonté d'une atmosphère d'argon 4. Le dispositif de réduction des contraintes dans la zone du niveau libre représenté à gauche en 5 comprend une cloison circonfé rentielle 6, à une distance faible,- de quelques cm à quelques dizaines de cm, suivant le volume du réservoir, de la paroi verticale 7 du réservoir. Cette paroi 6 s'étend de part et d'autre du niveau moyen du sodium liquide dans le réservoir, un peu au-delà des niveaux maximal et minimal prévus. Elle est reliée à son extrémité inférieure à la paroi 7 par un fond plein 8. La zone 9 au niveau du bord supérieur de la cloison 6 est par contre libre.Ceci permet lors d'une opération initiale de remplir la chemise annulaire séparant la cloison 6 et la paroi 7 d'une réserve de sodium liquide 10 qui forme une chemise statique, quelles que soient les variations de niveau du bain 3 du réservoir. Un tube 10A plongeant dans la chemise annulaire et pouvant être obturé en fonctionnement normal, permet si nécessaire d'en extraire le sodium après une pollution nécessitant la purification du sodium du réservoir. Ce tube peut aussi selon une autre variante être raccordé si l'alimentation en sodium du réservoir et permet alors d'assurer un renouvellement régulier et calibré du sodium de la chemise annulaire afin d'en limiter le taux d'impuretés. Le dispositif de réduction des contraintes dans la zone du niveau libre représenté en figure 2 convient dans le cas où le niveau de métal liquide n'est pas susceptible de monter au-delà de la zone que l'on veut protéger. il comprend également une cloison circonféren- tielle 12, à une faible distance de la paroi verticale 13 du réservoir, et s'étendant de part et d'autre du niveau moyen du sodium liquide dans le réservoir, un peu au-delà du niveau maximal prévu et jusqu'à proximité du fond. Mais la zone 14 au niveau du bord inférieur de la cloison 12 est libre, de sorte que la réserve de sodium liquide 15 emprisonnée entre la cloison 12 et la paroi 13 est en communication avec le bain de sodium liquide 2 du réservoir. La cloison 12 est réunie par son bord supérieur à la paroi 13 par un fond 16. Pour permettre un remplissage du volume compris entre cette cloison et cette paroi, un tube 17 débouchant dans le fond 16 est relié à une vanne 18, reliée à une tuyauterie d'aspiration 19. Le bain de sodium liquide 15, ne communiquant que par le bas avec le bain de sodium liquide 3 du réservoir, forme également une chemise statique. La réserve de sodium liquide emprisonnée dans la zone annulaire défini par les dispositifs 5 ou 11 joue le rôle d'écran thermique. Grâce à la bonne conductibilité et à la bonne diffusivité du sodium, cette réserve atténue les variations de température le long de la paroi externe. A cet effet axial bénéfique s'ajoute l'effet radial habituel des écrans classiques dû à l'inertie thermique et à la résistance additionnelle du matelas statique. Le dispositif représenté à plus grande échelle en figure 3 est analogue au dispositif de la figure 1, mais il comporte en plus des ailettes circulaires telles que 20, 21, empechant la formation de courants de convaction dans le sens vertical. Bien que les dispositifs de mise en oeuvre de l'invention qui viennent dsêlre décrits an référence aux figuras du dessin paraissent les formes de réalisation préférables de l'invention, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadra de l'invention, certains de leurs organes pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient le meme rôle technique. En particulier, le dispositif représenté an figura 2 pourrait aussi etre muni d'ailettes circulaires telles que celles de la figure 3, ou de tout autre dispositif anti-convectif. L'invention s'adapterait également à toute autre forme d'appareil, par exemple cylindrique d'axe horizontal, ou sphérique. L'invention s'applique notamment à l'appareillage d'échange thermique des centrales de production d'énergie électrique à réacteur nucléaire surrégénérateur. REVENDICATIONS 1, Dispositif de réduction des contraintes thermiques dans la zone du niveau libre (3) d'une paroi interne (7, 13)- d'un appareil partiellement rempli de liquide, caractérisé en ce qu'il comprend une cloison (6, 12) parallèle à cette paroi, s'étendant de part et d'autre du niveau moyen de liquide dans l'appareil et définissant avec la paroi du réservoir une chemise annulaire, et une réserve (10, 15) de liquide statique emprisonnée dans cette chemise annulaire, s'élevant jusqu'au-dessus de la zone d'établissement normal du niveau liquide (3), ainsi qu'au moins un passage (9, 14) permettant l'introduction du liquide dans la chemise annulaire. 2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit passage (9) est disposé au point la plus élevé de la chemise annulaire. 3/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce queil est disposé dans la réserve de liquide un tube plongeur raccordé à l'extérieur de l'appareil, par l'intermédiaire d'une vanne normalement fermée, à un dispositif de purification du liquide. 4/ Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est disposé dans la réserve de liquide un tube plongeur raccordé à l'intérieur de l'appareil à une alimentation assurant un débit lent mais régulier de liquide de renouvellement de la réserve de liquide. 5/ Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit passage (14) est disposé en un point constamment immergé sous la surface libre du liquide dans l'appareil, et en ce qu'il comprend en outre des moyens (17, 18, 19) d'aspiration dans ladite chemise du liquide contenu dans l'appareil. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des organes (20, 21) réduisant les courants de convection dans ladite réserve, tel que des ailettes horizontales ou un dispositif en nid d'abeilles. 7/ Procédé de constitution du dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on remplit initialement le réservoir jusqu'à un niveau supérieur à celui dudit passage.