Brevet FR2557806A1 — publié le 19850712

Piège froid pour épuration de sodium liquide contenant des impuretés. La présente invention a pour objet un piège froid destiné à retenir les impuretés que l'on peut rencontrer dans le sodium liquide d'un circuit alimen- tant une capacité, tel qu'on en rencontre par exemple dans l'industrie nucléaire. Les impuretés qui se trouvent dans le sodium liquide d'un tel circuit peuvent être d'origines diverses et provenir notamment de la charge initiale du sodium, de la contamination par les matériaux de confinement des cuves qui le renferment et des gaz de couverture de ces mêmes cuves, de la pollution résul- tant d'entrée d'air accidentelle notamment lors des travaux d'entretien ou de montage sur l'installation dans laquelle circule le sodium, des produits d'une réaction éventuelle entre le sodium et de l'eau, en- fin, de la diffusion de l'hydrogène ou de produits hydrogénés à travers les parois des échangeurs de cha- leur ou des générateurs de vapeur d'une installation caloportrice. Toutes ces impuretés doivent être éliminées en permanence dès leur apparition par précipitation- filtration-purification car elles ont des conséquence néfastes sur: - la précipitation des composés formés avec le sodium dans les branches froides des circuits, - la fragilisation des aciers (C, N2, H2), - l'accélération de la corrosion (02, H2, NaOH), - l'augmentation de la concentration résiduelle d'hy- drogène perturbant le bon fonctionnement de la dé- tection de fuite du circuit de l'installation par mesure de la concentration en hydrogène (DH2). A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 1, un piège froid cylindrique de forme connue permettant d'illustrer la constitution et le fonction- nement d'un tel appareil. Ce piège froid d'un type connu comprend es- sentiellement un réservoir 1 de section cylindrique à axe vertical dans lequel circule le sodium à purifier en provenance de l'enceinte de confinement (circuit ou cuve). Ce piège froid comporte en partie haute 2 un économiseur 3, constitué de tubes le plus souvent en- roulés en hélices, dans lequel pénètre par la canali- sation 4 le sodium liquide chaud à traiter. Dans cette partie haute 2, la température du sodium chaud (400 C environ) est abaissée progressivement pour approcher la température de point froid (110 C-120 C) de l'ins- tallation. Le sodium s'écoule à partir de l'économi- seur 3 par une série de jets tels que 5 dirigés vers la partie basse 6 de l'installation. Cette partie basse comporte essentiellement un tampon filtre 7 de forme annulaire et constitué généralement de 'laine' d'acier inoxydable dans laquelle le sodium s'écoule selon les flèches F de haut en bas pour remonter ensuite, comme le montrent les flèches F', dans la cheminée interne centrale 8 et ressortir, après réchauffage jusque vers 360 C, par la conduite 9. La partie basse 6 est refroidie et maintenue à la température de point froid à l'aide d'un flux de refroidissement schématisé par les flèches F" sur la figure 1 qui indiquent qu'un gaz ou qu'un liquide de refroidissement s'écoule extérieurement à l'enceinte 1 et sur la partie basse 6 de celle-ci pour abaisser sa température. Ce fluide arrive à une température de C et s'échauffe jusque vers 80 C par exemple. Le sodium circulant dans le tampon filtre 7 est maintenu lui aussi à la température de point froid du piège et dépose ses impuretés qui sont à la fois condensées et filtrées au cours de la traversée du tampon filtre 7. Le sodium traité et épuré qui remonte par la cheminée interne 8 s'écoule ensuite vers l'extérieur par la canalisation 9 après avoir traversé en sens inverse la partie haute 2 du piège. On voit ainsi que dans le piège de la figure 1, tout le débit du sodium du piège froid passe par le point froid avant de remonter par la cheminée interne 8 jusqu'à la partie haute du piège o il est réchauffé dans l'économiseur 3, jusqu'à une température voisine de sa température d'entrée. Cet économiseur 3, tra- vaille donc ainsi comme un échangeur de chaleur entre le sodium chaud entrant par le conduit 4 et le sodium froid sortant par la conduite 9. Dans un piège froid du type de celui décrit sur la figure 1, la partie inférieure est généralement refroidie par un fluide gazeux ou liquide, par exemple un liquide organique ou de l'air mis en circulation par une pompe non représentée et le flux de chaleur à évacuer traverse alors l'enveloppe externe du réser- voir 1. Ce mode de réalisation, bien que fonction- nant parfaitement, ne permet toutefois qu'un refroi- dissement relativement limité du tampon filtrant 7 car les calories à évacuer doivent traverser l'enveloppe externe 1 dont la surface est relativement réduite. Lorsqu'on veut obtenir un flux thermique de refroidis- sement élevé pour un débit de sodium important (piège de forte capacité) on emploie généralement comme re- froidisseur un liquide organique dont la capacité ca- lorifique est plus élevée que celle d'un gaz. Cette technique impose néanmoins, comme indiqué plus haut, de disposer d'un circuit pour ce liquide organique comportant un échangeur de chaleur et une pompe, ce qui alourdit considérablement l'exploitation du piè- ge. Dans le cas de l'utilisation d'un piège de faible capacité, on peut se contenter de refroidir sa partie basse avec de l'air, mais alors le flux thermi- que que l'on peut évacuer ainsi est limité par le fai- ble coefficient d'échange entre l'air et la paroi du piège. On peut certes augmenter, mais dans des propor- tions relativement faibles, le flux d'échange thermi- que en augmentant la surface d'échange que l'on garnit alors d'ailettes transversales ou longitudinales et/ou de picots et fils soudés sur la virole externe. De toute façon, des pièges cylindriques con- nus, du genre de ceux de la figure 1, présentent une capacité de traitement relativement limitée par cette surface d'échange réduite. La présente invention a précisément pour ob- jet un piège froid pour épuration de sodium liquide contenant des impuretés dont la surface d'échange est accrue de façon sensible par une disposition géométri- que particulière de la partie basse du piège. Ce piège froid pour épuration de sodium li- quide contenant des impuretés du type de ceux qui com- prennent, dans une enceinte fermée réfrigérée par un fluide de refroidissement s'écoulant au contact de sa surface externe, en partie haute un économiseur pour abaisser la température du sodium chaud et assurer son introduction dans le piège, et, en partie basse, le piège proprement dit-contenant un tampon filtre, main- tenu à la température de point froid et au travers duquel le sodium s'écoule en abandonnant ses impuretés selon un trajet en double épingle à cheveux comportant une descente à travers la masse du tampon filtre et une remontée dans une cheminée interne à cette masse, se caractérise en ce que l'enceinte est de forme annu- laire, le tampon filtre étant logé dans l'espace com- pris entre deux viroles cylindriques concentriques. Selon l'invention, la caractéristique es- sentielle qui consiste à utiliser un piège froid de forme annulaire, permet d'accroître de façon sensible la surface d'échange que l'on peut bien entendu tou- jours augmenter davantage par l'emploi d'ailettes, pi- cots ou fils. Cette augmentation de surface d'échange thermique permet de refroidir à l'air ou au gaz en général des pièges froids d'une grande capacité et de faire ainsi l'économie des circuits de liquides qui présentent les inconvénients rappelés précédemment. L'invention peut également s'appliquer à des pièges froids refroidis par liquide organique au- quel cas on peut réaliser ainsi des pièges beaucoup plus compacts pour un traitement équivalent, en quan- tité de sodium, à ceux des pièges classiques. Selon une caractéristique secondaire de la présente invention, la partie haute du piège est cons- tituée d'une chambre cylindrique unique et non plus annulaire et le fluide de refroidissement de la virole interne de la partie basse est véhiculé selon des tra- jets "circulaires" à travers une cheminée centrale de distribution. De toute façon, l'invention sera mieux com- prise en se référant à la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre de piège froid annulaire, description qui sera faite à titre indicatif et non limitatif en se référant aux figures 2 et 3 ci-join- tes, sur lesquelles: - la figure 2 est une coupe schématique selon l'axe d'un piège froid annulaire selon l'inven- tion, - la figure 3 est une coupe schématique selon l'axe d'un piège froid annulaire selon une va- riante de l'invention dans laquelle la partie haute du piège est constituée d'une chambre cylindrique unique. Sur la figure 2, on retrouve la capacité externe la du piège froid, mais cette fois doublée d'une deuxième virole interne lb entre lesquelles est ainsi délimité un espace annulaire 10 qui contient en partie basse le tampon filtre 7 de 'laine' d'acier inxoydable. Dans cet espace 10, le tampon d'acier 7 a toujours lui-même une forme annulaire présentant une cheminée interne 8 de remontée du sodium ayant traver- sé le tampon 7. Comme sur la figure 1 d'ailleurs, le sens de circulation du sodium est indiqué par les flè- ches F. Dans l'exemple de la figure 2, l'enceinte contenant le piège froid est annulaire de bas en haut, c'est-à-dire aussi bien dans la partie haute 2 que dans la partie basse 6. Comme sur la figure 1, on retrouve une entrée de sodium 4 et une sortie de so- dium 9 et l'économiseur 3, muni de ses orifices de distribution de sodium en pluie 5. Le fluide réfrigé- rant qui lèche la paroi interne lb du piège annulaire s'écoule selon l'axe vertical de l'appareil dans l'es- pace interne délimité par cette virole lb. Le fonctionnement du piège froid annulaire de la figure 2 a lieu selon le même processus que celui du piège cylindrique connu de la figure 1, mais l'augmentation de la surface d'échange entre la partie inférieure des viroles la et lb et le flux de refroi- dissement (gaz ou liquide) schématisé par les flèches F" a lieu selon une surface qui est approximativement de l'ordre du double de la surface du piège froid de la figure 1 pour des dimensions externes comparables. On réalise ainsi une économie considérable par l'ac- croissement de l'échange thermique qui en résulte. Dans une variante de réalisation du piège froid représenté sur la figure 3, la partie haute 2 n'est plus annulaire mais simplement cylindrique et dans ce cas, le fluide de refroidissement du cylindre interne ld est véhiculé selon des trajets 'circulai- res" à travers la cheminée centrale 11 centrée sur l'axe commun aux deux viroles la et lb. REVENDICATIONS 1. Piège froid pour épuration de sodium li- quide contenant des impuretés, du type de ceux qui comprennent, dans une enceinte fermée (1) réfrigérée par un fluide de refroidissement s'écoulant au contact de sa surface externe (la), en partie haute (2) un économiseur (3, 9) pour abaisser la température du so- dium chaud et assurer son introduction dans le piège, et, en partie basse, le piège proprement dit contenant un tampon filtre (7), maintenu à la température de point froid et au travers duquel le sodium s'écoule en abandonnant ses impuretés selon un trajet en double épingle à cheveux comportant une descente à travers la masse du tampon filtre (7) et une remontée dans une cheminée interne (8) à cette masse, caractérisé en ce que l'enceinte (1) est de forme annulaire, le tampon filtre (7) étant logé dans l'espace (10) compris entre deux viroles cylindriques concentriques (la, lb). 2. Piège froid selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que sa partie haute (2) est constituée d'une chambre cylindrique, le fluide de refroidisse- ment de la virole interne (lb) de la partie basse étant véhiculé selon des trajets 'circulaires' à tra- vers une cheminée de distribution (11).