Brevet FR2556482A1 — publié le 19850614

Procédé et dispositif de régulation du débit d'un courant de fluide dont la pression d'alimentation est variable L'invention concerne un procédé et un dispositif de régulation du débit d'un courant de fluide dont la pression d'alimentation est variable. Dans l'exploitation des réacteurs nucléaires à neutrons rapides refroidis par du sodium liquide, il est nécessaire de remplacer certains as- semblages du coeur qui sont devenus défectueux ou dont le combustible est usé après un certain temps de fonctionnement dans le réacteur. Les assembla- ges usés ou défectueux doivent être évacués vers une usine de retraitement o l'on effectue en particulier la récupération du matériau combustible ré- généré. Avant d'effectuer le transport des assemblages usagés vers l'usine de retraitement, il est nécessaire de les laisser se désactiver dans une zone de stockage pendant une durée relativement longue, puisqu'ils possè- dent une activité résiduelle importante qui ne décroit que lentement dans le temps. Pour éviter des investissements importants et les risques inhé- rents à un stockage de désactivation des assemblages à l'extérieur de la cuve du réacteur, on a proposé de stocker les assemblages combustibles usa- gés dans la cuve du réacteur elle-même, autour du coeur, dans le sodium de refroidissement du réacteur. Les assemblages usagés prélevés dans le coeur sont disposes verti- calement sur le support de coeur, comme les assemblages actifs du réacteur, suivant une couronne périphérique située à l'extérieur d'une zone de couver- ture servant d'écran au rayonnement et disposée elle-même autour de la par- tie active du coeur. Cette couche de couverture est constituée par des as- semblages renfermant de l'acier ou un matériau plus absorbant qui limitent fortement le flux neutronique provenant du coeur, si bien que les assembla- ges usagés ne sont pas réactivés de manière significative, dans leur zone de stockage. Les assemblages usagés produisent cependant une certaine quantité de chaleur qui dépend en particulier de l'intensité de la réactivation, donc du flux neutronique résiduel dans la zone périphérique de stockage. Il est donc nécessaire d'alimenter les assemblages usagés en so- dium de refroidissement, suivant un processus comparable au mode de refroi- dissement des assemblages actifs. Les assemblages actifs sont refroidis cha- cun par un courant de sodium liquide entrant dans l'assemblage par sa par- tie inférieure et le traversant suivant toute sa longueur. Le débit de refroidissement des assemblages combustibles actifs dépend de leur position dans le coeur du réacteur, et lorsque la perte de charge propre de l'assemblage n'est pas suffisante pour imposer le débit de sodium souhaité, on utilise un système régulateur de débit formé par une succession de diaphragmes placés dans la partie basse de l'assemblage. Mais pour un assemblage usagé, la perte de charge d'un tel système régulateur se- rait dans tous les cas largement insuffisante, étant donné la faible puis- sance dégagée par les assemblages usagés dans leurs emplacements de stocka- ge interne et donc le faible débit nécessaire à leur refroidissement. C'est pourquoi on utilise un dispositif créant une perte de charge supplémentaire dans la chandelle (ou tube support) de l'assemblage constitué par une suc- cession de diaphragmes. Mais si ce système assure bien le débit minimal de refroidissement nécessaire pour le cas incidentel de fonctionnement le plus sévère du réacteur, au régime nominal, l'assemblage est encore traversé par un débit très supérieur au débit correspondant au prélèvement de chaleur souhaitable. Dans le cas du fonctionnement du réacteur à sa puissance nomina- le, le débit de sodium du stockage interne est beaucoup trop élevé, ce qui se traduit par une perte d'énergie de pompage et surtout par une diminution de la température du sodium à la sortie du coeur, donc par une baisse impor- tante du rendement du réacteur nucléaire. D'autre part une alimentation des assemblages usagés distincte de l'alimentation des assemblages actifs conduit à une complication importante de la structure interne du réacteur et à une augmentation du coot du réac- teur. Il serait donc intéressant d'utiliser un dispositif de régulation de débit plus performant que le dispositif actuel comportant des diaphrag- mes successifs, diminuant considérablement le débit au régime nominal dans les assemblages en stockage interne, et assurant en toutes circonstances le débit de refroidissement nécessaire au régime incidentel le plus sévère de fonctionnement du réacteur. Le régime incidentel le plus sévère se traduit par une augmentation de la température d'entrée du sodium et une forte bais- se de la pression d'alimentation. Les limiteurs régulateurs de débit connus actuellement sont d'une structure compliquée et possèdent des pièces mobiles qui sont susceptibles de fonctionner de façon défectueuse dans l'ambiance du réacteur, dans le so- dium liquide à haute température. On connatt également des procédés et des dispositifs de régulation de débit qui ne nécessitent pas l'utilisation de pièces mobiles. De tels dispositifs peuvent fonctionner par séparation du courant initial de fluide régulé en un courant principal et en un courant de commande dans lequel on crée une perte de charge. Le courant de commande est ensuite dirigé vers le courant principal sur lequel il agit de façon à réguler le débit de fluide par interaction directe. En choisissant le dé- bit, la pression et la direction du courant de commande au moment o on lui fait rencontrer le courant principal, on peut obtenir une limitation et une régulation du débit du courant à la sortie du régulateur. De tels procédés et dispositifs ne sont cependant pas utilisables dans le cas de la limitation de débit dans les assemblages usagés d'un réac- teur nucléaire à neutrons rapides. En effet, les caractéristiques de fonc- tionnement et la structure de ces régulateurs sont incompatibles avec une utilisation dans un réacteur à neutrons rapides qui demande d'une part l'ob- tention d'un débit faiblement croissant lorsque la pression de pompage con- natt elle-même une augmentation très importante et d'autre part une structu- re extrêmement simple et extrêmement résistante facilement logeable dans un conduit de diamètre limité. De façon plus générale, on ne connaissait pas de procédé de limi- tation et de régulation du débit d'un courant de fluide par séparation du courant initial en deux courants et interaction de ces deux courants qui permette d'obtenir une très forte limitation et une très bonne régulation du débit malgré une pression d'alimentation du fluide variable dans de très grandes proportions. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de régula-- tion du débit d'un courant de fluide dont la pression d'alimentation est va- riable, par séparation du courant initial de fluide en un courant principal et en un courant de commande dans lequel on crée une perte de charge avant de le diriger vers le courant principal de façon à réguler le débit de flui- de par interaction directe du courant de commande et du courant principal, procédé qui permette une limitation très importante du débit et une très bonne régulation de ce débit quelles que soient les variations de la pres- sion et qui ne nécessite que des moyens simples de mise en oeuvre, facile- ment logeables dans un conduit de diamètre limité. Dans ce but: - on sépare le courant initial en un courant principal et en un courant de commande sensiblement coaxiaux et se propageant dans la même direction, le courant principal entourant le courant de commande, - on transforme ensuite le courant de commande en un vortex dont l'axe de rotation est sensiblement parallèle à la direction de propagation du cou- rant principal, - et on dirige le courant de commande sous forme de vortex vers le courant principal pour assurer la régulation de débit, par contact direct entre le courant de commande et le courant principal. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décri- re à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention et l'utilisation du procédé et du dispositif pour la limitation et la régulation d'un courant de sodium liquide dans des assemblages usagés d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical de symé- trie, suivant BB de la figure 2, d'un dispositif de régulation de débit sui- vant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe suivant AA de la figure 1. La figure 3 est un diagramme donnant les variations du débit d'un courant de sodium liquide en fonction de la perte de charge, dans le régula- teur représenté aux figures 1 et 2. La figure 4 est une vue en coupe par un plan vertical d'un sup- port d'assemblage combustible d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides contenant un régulateur de débit suivant l'invention. Sur la figure 1 on voit un conduit 1 disposé avec son axe verti- cal dans un écoulement de fluide dirigé verticalement et de bas en haut sui- vant la flèche 2. Le conduit 1 canalise un courant de fluide qui pénètre dans le conduit 1 par son extrémité inférieure d'entrée la, le courant de fluide étant évacué à la sortie du dispositif par l'extrémité de sortie lb de diamètre plus faible que l'extrémité d'entrée la. A l'intérieur du conduit, trois plaques 2a, 2b et 2c sont dispo- sées transversalement et maintenues à leur périphérie contre la surface in- térieure du conduit 1, par exemple par soudage. Les plaques 2a, 2b et 2c comportent des séries d'ouvertures sensi- blement alignées telles que 3a, 3b, 3c et 4a, 4b, 4c. De telles plaques percées disposées transversalement à un écoule- ment créent une perte de charge quadratique dans cet écoulement, c'est-àdi- re une perte de charge proportionnelle au carré de la pression ou du débit de cet écoulement. Les plaques 2 sont également percées à leur partie centrale par des ouvertures circulaires dont les centres sont alignés sur l'axe ZZ' ver- tical du conduit 1. Ces ouvertures circulaires de grand diamètre permettent le passage et la fixation d'un tube 6 disposé coaxialement au conduit 1. A l'intérieur du tube 6 et sur une partie de sa longueur, est fixée une structure 7 séparant l'espace intérieur du tube 6 en canaux longi- tudinaux 8 de faible dimension transversale. La structure 7 peut être cons- tituée par un cylindre percé de canaux de direction axiale et de faible dia- mètre. Une telle structure 7 à canaux longitudinaux de faible dimension transversale crée une perte de charge linéaire pour un écoulement en circu- lation dans le tube 6 dans la direction de l'axe ZZ'. Une telle perte de charge est proportionnelle au débit du courant de fluide passant dans le tube 6. Le tube 6 débouche à sa partie supérieure dans une enveloppe cy- lindrique 9 fermée à sa périphérie par un anneau 10 traversé par des perça- ges 12 horizontaux et inclinés par rapport à la direction radiale (tel que Or par exemple) d'un angle constant. Les canaux 12 débouchent à la surface latérale de l'anneau 10, dans la zone périphérique supérieure 14 du conduit 1. Le courant initial de fluide entrant par l'extrémité la du con- duit 1 suivant la flèche 2' se sépare en deux courants de même direction et coaxiaux, l'un de ces courants passant dans le tube 6 et l'autre courant dans la zone annulaire comprise entre la surface interne du conduit 1 et la surface externe du tube 6. Le courant 2'a passant dans la zone annulaire périphérique entou- rant le tube 6 est appelé courant principal. Le courant 2'b constitue le courant de commande du régulateur. Pendant la première partie de la traversée du dispositif, les cou- rants 2'a et 2'b se déplacent suivant la même direction, le courant 2'a su- bissant une perte de charge de type quadratique au cours de la traversée des plaques 2a, 2b, 2c et le courant 2'b, une perte de charge de type li- néaire pendant la traversée de la structure 7. A la sortie du tube 6, le courant 2'b pénètre dans l'espace inté- rieur de l'enveloppe cylindrique 9 dont la paroi transversale supérieure dé- vie le courant 2'b vers la périphérie de l'enveloppe 9 traversée par les perçages inclinés 12. Le courant 2'b sortant par les perçages 12 génère un vortex d'axe ZZ' qui entraine en rotation le courant principal 2'a qui a traversé les plaques percées 2, dans l'espace annulaire périphérique supérieur 14 du con- duit 1. Le courant 2'b sous forme de vortex rencontrant le courant princi- pal 2'a agit sur celui-ci et limite le débit total passant à travers le ré- trécissement lb en augmentant la perte de charge globale du dispositif. L'action du courant de commande 2'b sous forme de vortex, sur le courant 2'a par contact direct entre ces deux courants dépend de la pres- sion et du débit du courant de commande et donc de la pression et du débit initial du fluide & l'entrée du conduit 1. Sur la figure 3, on a représenté un diagramme portant en ordonnée la perte de charge subie par un courant de fluide pendant sa traversée d'un dispositif régulateur et en abscisse le débit dans le dispositif régula- teur. La courbe A représente la caractéristique de perte de charge de type linéaire du courant de commande 2'b dans les canaux 8 de la structure 7 à l'intérieur du tube 6. La courbe B représente la caractéristique de perte de charge de type quadratique du courant principal 2'a dans sa traversée des plaques per- cées 2. Enfin la courbe C représente la caractéristique de perte de char- ge de l'ensemble du dispositif régulateur représenté aux figures 1 et 2. On voit en comparant la courbe C aux courbes A et B que la perte de charge du dispositif augmente très rapidement dès que le débit dépasse une certaine valeur. Ceci provient du fait qu'à partir d'un certain seuil de débit la perte de charge linéaire devient inférieure à la perte de char- ge quadratique, le courant de commande génère alors un vortex entrainant en rotation le courant principal qui passe ensuite par un rétrécissement de veine fluide, ce qui a pour effet d'augmenter la vitesse tangentielle du fluide, et par là-même, la perte de charge globale du système. Le débit passant dans le dispositif de régulation tel que repré- senté aux figures 1 et2 augmente donc rapidement jusqu'à un certain seuil de pression d'admission; au-delà de ceseuil, il reste constant puis ensui- te devient faiblement croissant en fonction de l'augmentation de pression. C'est ainsi que la mise en place d'un tel dispositif dans la chan- delle d'un assemblage combustible usagé en stockage interne réduit considé- rablement le sur-débit du fonctionnement nominal, tout en assurant le débit minimal nécessaire dans le cas du fonctionnement au régime incidentel le plus sévère du réacteur à neutrons rapides. En se reportant à la figure 3, on voit qu'une augmentation de la surpression de 3 bars (2 à 5 bars) se traduit par une augmentation du débit de 0,9 kg/s à 1,3 kg/s. La pression et le débit de pompage sont eux-mêmes croissants avec la puissance demandée au réacteur. Le débit est donc bien limité dans ce cas à une valeur suffisamment faible pour ne pas diminuer le rendement du réacteur au régime nominal, tout en assurant le refroidissement nécessaire au stockage interne en régime incidentel. - Sur la figure 4, on voit la structure de support de coeur 15 d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides dans laquelle sont disposés des tubes supports d'assemblages tels que 16. La partie inférieure 17 de l'assemblage encore appelée pied de l'assemblage est engagée dans le tube support 16 dans lequel elle vient re- poser. Le pied d'assemblage 17 comporte des ouvertures 18 pour le passage du sodium liquide de refroidissement dans l'assemblage. De la même façon le tube support 16 comportent des ouvertures 19 à leur partie inférieure pour le passage du sodium liquide qui est injecté dans la structure 15 encore appelée platelage par les conduits de sortie des pompes primaires plongeant dans le sodium liquide remplissant la cuve. Un dispositif régulateur et limiteur de débit suivant l'invention a été disposé dans le tube de support 16 de l'assemblage, entre les ouvertu- res 19 et la partie inférieure du pied 17 de l'assemblage. Ce dispositif régulateur de débit comporte quatre plaques perfo- rées 21 de forme circulaire fixées par soudage sur la surface intérieure du tube de support 16. Ces plaques 21 comportent des ouvertures centrales cir- culaires dans lesquelles est engagé et fixé un tube 25 renfermant une struc- ture 27 créant une perte de charge linéaire dans le courant de sodium liqui- de parcourant le volume interne du tube 25 séparé en un grand nombre de ca- naux de faible section longitudinaux limités par la structure 26. A sa partie supérieure le tube 25 débouche dans une enveloppe cy- lindrique 28 analogue à l'enveloppe 9 représentée à la figure 1 fermée par un anneau percé de canaux inclinés. Le courant de sodium liquide pénétrant par les ouvertures 19 et dont la pression est variable en fonction du niveau de puissance du réac- teur est séparé à l'intérieur du tube support 16, en -un courant principal passant dans l'espace annulaire compris entre la surface intérieure du tube 16 et la surface extérieure du tube 25 et un courant central passant dans le tube 25 puis dans l'enveloppe cylindrique 28 de laquelle ce courant res- sort sous forme d'un vortex par les ouvertures prévues à la périphérie de -8 l'enveloppe 28. Ce vortex sert de courant de commande au courant principal de sodium qui a subi des pertes de charge au cours de la traversée des pla- ques percées 21. Le courant total passe alors par le rétrécissement 29. L'interaction du courant principal et du courant de commande pro- duit une limitation et une régulation du débit de sodium, de façon que ce débit reste relativement faible et très faiblement croissant en fonction de la surpression de pompage du sodium dans le platelage 15. De cette façon, malgré l'utilisation d'un dispositif fixe très peu encombrant sans pièce mobile et très facilement logeable dans le tube support de l'assemblage, on obtient une limitation très efficace et une bon- ne régulation du débit de sodium dans l'assemblage supporté par le tube 16 qui est un assemblage usagé disposé à la périphérie du coeur o il ne re- çoit qu'un faible flux neutronique légèrement croissant, lorsque la puissan- ce demandée au réacteur augmente. On voit que les principaux avantages du procédé de régulation de débit et du dispositif suivant l'invention sont de permettre une limitation très efficace du débit pour les différences de pression relatives au régime nominal de fonctionnement du réacteur nucléaire à neutrons rapides et d'as- surer le débit minimal pour les faibles différences de pression correspon- dant au cas de fonctionnement incidentel le plus sévère. Dans le cas d'un bouchage accidentel complet des canaux longitudi- naux (8) de faible section, la régulation de débit respecterait les condi- tions minimales de refroidissement pour le cas de fonctionnement incidentel du réacteur, et dans le cas du fonctionnement nominal, les assemblages com- bustibles usagés seraient sur-refroidis au maximum comme ils le sont actuel- lement. Le dispositif régulateur pour la mise en oeuvre du procédé sui- vant l'invention est d'une très grande simplicité et peut être facilement logé dans un conduit cylindrique tel qu'un tube de support d'un assemblage combustible d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. Un tel dispositif ne comporte aucune pièce mobile et aucune partie susceptible de se détruire ou de fonctionner de façon défectueuse, lorsqu'elle est plongée dans le so- dium liquide de refroidissement remplissant la cuve d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation qui ont été décrits; elle en comporte au contraire toutes les variantes. C'est ainsi que les dispositifs de perte de charge intercalés sur le courant principal et sur le courant de commande peuvent être d'un type différent de ceux qui ont été décrits. Lorsqu'on utilise un dispositif & perte de charge linéaire pour le courant de commande, à la partie centrale du régulateur, ce dispositif peut être constitué par une structure quelconque comportant par exemple un ensemble de tubes disposés en faisceaux parallèles ou un empilement de gril- les constituant des canaux longitudinaux de faible section. De la même façon, le dispositif à perte de charge quadratique pla- cé à la périphérie du régulateur et recevant le courant principal de fluide peut être réalisé d'une façon différente de ce qui a été décrit, soit par un ensemble d'un nombre quelconque de plaques comportant des ouvertures ali- gnées ou non alignées ou par une plaque unique comportant des ouvertures ca- librées en nombre quelconque. Le dispositif nécessaire pour produire le vortex et pour diriger le courant de commande vers la partie périphérie du dispositif peut avoir une forme différente de celle qui a été décrite, par exemple comporter des canaux en spirale intercalés entre deux plaques parallèles. Enfin, le procédé et le dispositif suivant l'invention s'appli- quent dans tous les cas o l'on désire régaler un courant fluide de manière à obtenir, pour une variation de pression faible entre l'entrée et la sor- tie du dispositif, un débit relativement important, et pour une forte varia- tion de pression, un débit faible et faiblement croissant. REVENDICATIONS 1.- Procédé de régulation du débit d'un courant de fluide dont la pression d'alimentation est variable, par séparation du courant initial de fluide en un courant principal et en un courant de commande dans lequel on crée une perte de charge avant de le diriger vers le courant principal, de façon à réguler le débit de fluide par interaction directe du courant de commande et du courant principal, caractérisé par le fait: - qu'on sépare le courant initial en un courant principal et en un courant de commande sensiblement coaxiaux se propageant dans la même direction, le courant principal entourant le courant de commande, - qu'on transforme ensuite le courant de commande en un vortex dont l'axe de rotation est sensiblement parallèle à la direction de propagation du cou- rant principal, - et qu'on dirige le courant de commande sous forme de vortex vers le cou- rant principal, pour assurer la régulation de débit, par contact direct entre le courant de commande et le courant principal. 2.- Procédé de régulation suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on crée une perte de charge de type linéaire dans le courant de commande avant de le transformer en vortex et qu'on crée une perte de charge de type quadratique dans le courant principal avant sa mise en contact avec le courant de commande. 3.- Dispositif de régulation du débit d'un courant de fluide, caractérisé par le fait qu'il comporte, à l'intérieur d'un conduit (1) com- portant une extrémité d'entrée (la) et une extrémité de sortie (lb), au moins une plaque transversale (2) fixée à sa périphérie sur la surface inté- rieure du conduit (1) percée d'une ouverture centrale circulaire et d'ouver- tures calibrées (4) entre son ouverture centrale et sa périphérie fixée sur le conduit (1), un tube fixé coaxialement par rapport au conduit (1) à l'in- térieur de l'ouverture circulaire centrale de la plaque (2) comportant une structure (7) formant des canaux longitudinaux (8) de faible section et dé- bouchant dans une chambre cylindrique plate (9) disposée coaxialement au conduit (1) à l'intérieur de celui-ci et ménageant des conduits (12) incli- nés par rapport à la direction radiale pour guider le fluide pénétrant dans l'enveloppe cylindrique (9) à la sortie du tube (6) sous forme d'un vortex dont l'axe est confondu avec l'axe du conduit (1) et du tube (6) le vortex et le courant principal étant mis en contact dans un espace périphérique (14) du conduit (1) situé entre la surface latérale externe de l'enveloppe 1l cylindrique (9) et la surface latérale interne du conduit (1). 4.- Dispositif de régulation suivant la revendication 3, dans le cas o le courant de fluide est constitué par du sodium liquide de refroi- dissement d'un assemblage combustible d'un réacteur nucléaire à neutrons ra- pides, caractérisé par le fait que le conduit (1) est constitué par le tube sup- port (16) de l'assemblage fixé dans le platelage (15) du réacteur nucléai- re.