Brevet FR2559568A1 — publié le 19850816

I 3ispositif de refroidiise-men du fourreau de la tige de commande d'un robinet 'a 'oint gelé L'invention concerne un dispositif de refroidissement du fourreau de la tige de commande d'un robinet à joint gelé destiné à régler l'écoule- ment d'une substance à bas point de fusion. Pour l'exploitation des réacteurs nucléaires à neutrons rapides, on utilise généralement du sodium liquide, aussi bien comme fluide primaire pour élever la chaleur des assemblages du coeur que comme fluide secondaire pour transporter cette chaleur vers les générateurs de vapeur. Une centrale nucléaire à neutrons rapides comporte donc des circuits de circulation de sodium dont le point de fusion est voisin de 98 C. Le sodium circule dans des conduites calorifugées et sa circula- tion dans ces conduites peut être réglée par des robinets dont le corps est intercalé sur la conduite de circulation du sodium. Ce corps recevant le so- dium liquide comporte une ouverture d'entrée et une ouverture de sortie qui peut être fermée par un opercule lui-même relié à une tige de commande mobi- le axialement ou en rotation dans un fourreau débouchant dans le corps du robinet. Le fourreau et la tige de commande sont disposés verticalement et prolongent le corps du robinet vers le haut. La partie supérieure du four- reau et de la tige de commande se trouve en dehors de la zone calorifugée qui entoure le corps du robinet. C'est dans cette partie que se trouve le mécanisme de manoeuvre de la tige de commande pour son déplacement axial ou en rotation permettant l'ouverture ou la fermeture du robinet par déplace- ment de l'opercule. Le diamètre intérieur du fourreau est un peu supérieur au diamè- tre de la tige de commande, si bien qu'un espace annulaire subsiste entre la paroi du fourreau et la tige de commande. Cet espace annulaire communi- que avec le corps du robinet et se remplit de sodium venant de ce corps Dans la partie non calorifugée du fourreau, le sodium remplissant l'espace annulaire se refroidit progressivement jusqu'à atteindre une température in- férieure à son point de fusion. Il se constitue alors un joint de sodium so- lidifié appelé "joint gelé" qui permet d'assurer l'étanchéité au sodium, entre la tige de commande et le fourreau. Le sodium étant un métal mou, les déplacements axiaux ou en rotation de la tige de commande s'accompagnent d'un effort relativement faible. Pour assurer un refroidissement du sodium remplissant l'espace an- nulaire autour de la tige de commande jusqu'en-dessous du point de fusion, il est nécessaire de prévoir un fourreau d'une hauteur suffisante. Dans le cas de conduites de sodium et de robinets de grandes dimensions, cette hau- teur peut rendre ces robinets encombrants, d'autant plus que le fourreau est surmonté par le mécanisme de déplacement de la tige de commande. Pour diminuer l'élancement du fourreau et de la tige, il faut alors augmenter leur diamètre, ce qui augmente d'autant le diamètre de l'espace annulaire dans lequel on constitue le joint gelé et donc la section de sodium gelé qui doit être rompue. Cet accroissement des dimensions du fourreau et de la tige entratne aussi des pertes thermiques accrues migrant par la tige et son fourreau et éloignant du corps la zone du joint gelé. On a donc proposé d'utiliser des ailettes de refroidissement ra- diales ou longitudinales fixées sur la surface extérieure du fourreau, pour diminuer la longueur de ce fourreau et de la tige de manoeuvre. Ces ailet- tes permettent effectivement d'accélérer le refroidissement du sodium rem- plissant l'espace annulaire entre la tige et le fourreau et donc de dimi- nuer la hauteur du fourreau et la longueur de la tige de commande mais, dans des proportions insuffisantes pour régler tous les problèmes dus à l'é- lancement de la tige de commande. De plus, les ailettes augmentent le diamè- tre extérieur et l'inertie du fourreau qui peut devenir extrêmement encom- brant. Enfin, l'élancement du fourreau et de la tige de manoeuvre des ro- binets à sodium liquide connus actuellement est la cause d'une tenue médio- cre aux séismes de ces robinets. Le but de l'invention est donc de proposer un dispositif de re- froidissement du fourreau de la tige de commande d'un robinet à joint gelé destiné à régler l'écoulement d'une substance à bas point de fusion et com- portant un corps recevant la substance à l'état liquide et- ayant une ouver- ture d'entrée et une ouverture de sortie qui peut être fermée par un opercu- le solidaire de la tige de commande ainsi qu'une ouverture de mise en commu- nication de la chambre avec le fourreau disposé verticalement et ayant un diamètre intérieur un peu supérieur au diamètre de la tige de commande, de telle sorte que la substance liquide vienne remplir l'espace annulaire ré- servé entre le fourreau et la tige de commande pour y constituer localement un joint gelé par refroidissement dans le fourreau, ce dispositif de refroi- dissement devant permettre de diminuer la longueur du fourreau et de la tige de commande dans de grandes proportions sans nécessiter l'utilisation de moyens de refroidissement encombrants autour du fourreau. Dans ce but, le dispositif de refroidissement suivant l'invention est constitué par: - un boitier symétrique de révolution fixé autour du fourreau, coaxialement à celui-ci, sur une hauteur au moins égale au diamètre extérieur du four- reau et fermé à sa périphérie par une virole externe coaxiale au fourreau, - au moins trois caloducs du type à évaporation et condensation d'un liqui- de d'échange thermique, traversant la virole externe du boitier, de façon que la partie du caloduc o a lieu l'évaporation du liquide d'échange soit à l'intérieur du boitier et la partie o a lieu la condensation à l'exté- rieur, ces caloducs étant inclinés vers le bas en direction du fourreau et passant au voisinage de la surface externe du fourreau, à l'intérieur du boitier, - et un produit fluide d'échange thermique remplissant au moins partielle- ment le volume interne du boitier. 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 de refroidissement suivant l'invention, dans le cas d'un robinet à joint gelé pour du sodium liquide. La figure 1 est une vue en coupe par un plan vertical d'un robi- net à joint gelé pour du sodium liquide. La figure 2 est une demi-vue en coupe par un plan vertical du dis- positif de refroidissement associé au robinet à joint gelé représenté à la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe suivant AA de la figure 2. La figure 4 est une vue en coupe d'une variante de réalisation de la fixation d'un caloduc sur le boitier. Sur la figure 1, on voit un robinet à sodium liquide dont le corps 1 est intercalée entre une conduite 2 d'arrivée de sodium et une con- duite 3 de départ du sodium liquide. La conduite 2 débouche dans le corps 1 par une ouverture d'entrée 2a et la conduite 3 par une ouverture de sortie 3a. L'ouverture de sortie 3a est équipée d'un siège 5 pouvant recevoir un opercule 6 lui-même solidaire d'une tige de commande verticale 7. Lorsque l'opercule est en position sur le siège 5, comme représenté sur la figure 1, le robinet est fermé et le sodium ne peut passer de la conduite 2 à la conduite 3. La tige de commande 7 est disposée à l'intérieur d'un fourreau 8 à axe vertical prolongeant le corps 1 vers le haut et fixé sur celui-ci par sa base 8a. Le diamètre intérieur du fourreau 8 est un peu supérieur au diamè- tre extérieur de la tige de commande 7, si bien qu'il subsiste un espace an- nulaire 10 entre la tige 7 et le fourreau 8. Cet espace annulaire 10 se rem- plit de sodium provenant de la chambre 1, le fourreau débouchant dans ce corps par une ouverture 9 prévue dans la base 8a du fourreau. Les conduites 2 et 3 ainsi que le corps 1 du robinet sont entou- rées par une matière calorifuge jusqu'au niveau de la paroi 12 limitant le calorifuge. Le fourreau comporte à sa partie supérieure une plaque 13 sur la- quelle vient reposer le mécanisme 14 de déplacement de la tige de commande 7 reliée par sa partie supérieure à ce mécanisme. Autour du fourreau 8, au-dessus de la limite 12 du calorifuge est placé un dispositif de refroidissement suivant l'invention qui sera décrit en se référant aux figures 2 et 3. Le mécanisme 14 de déplacement de la tige de manoeuvre et le dis- positif de refroidissement 15 sont donc directement exposés au milieu am- biant, alors que le robinet et la conduite de sodium sur laquelle est dispo- sé ce robinet sont isolés par un calorifuge. En se référant aux figures 2 et 3, on voit que le dispositif de refroidissement 15 comporte un boitier 16 symétrique de révolution autour de l'axe ZZ' du fourreau et de la tige de commande constitué par deux viro- les tronconiques 17 et 18 et par une virole cylindrique 19 dont les axes sont confondus avec l'axe ZZ'. Les viroles tronconiques 17 et 18 sont soudées le long de leur petite base, sur la surface extérieure du fourreau 8. La virole cylindrique externe 19 est soudée sur les viroles tronconiques 17 et 18, le long de leur grande base. La virole 17, disposée à la partie inférieure du boitier, c'est-à- dire le plus près de la chambre du robinet 1, a un angle au sommet infé- rieur à l'angle au sommet de la virole 18. L'espacement des viroles 17 et 18, suivant la direction axiale du fourreau, c'est-à-dire l'espacement des zones de soudure de ces deux viro- les sur le fourreau, est un peu supérieur au diamètre extérieur du fourreau 8. La virole externe 19 est percée de trois trous tels que 20 dans lequels sont fixés par soudure des manchons tels que 21. Le manchon 21 per- met le passage et la fixation d'un caloduc 24, la direction du manchon et du caloduc étant inclinée vers le bas par rapport à l'horizontale, en direc- tion du fourreau 8. La direction du caloduc 24 est également telle que la partie de ce caloduc située à l'intérieur du boitier 16 passe au voisinage de la surface extérieure du fourreau 8. Les trois caloducs 24a, 24b et 24c, comme il est visible sur la figure 3, ont des positions qui se déduisent les unes des autres par rota- tion de 120 autour de l'axe ZZ'. Les caloducs 24 sont fixés sur le boitier 16 grâce au manchon 21 qui comporte une partie filetée 21a sur laquelle vient se fixer un écrou 26 permettant le serrage d'une partie tronconique fendue 27 disposée à l'extré- mité du manchon 21 permettant le serrage du caloduc 24 par vissage de l'é- crou 26. Il est également possible de réaliser le serrage grâce à un joint tronconique fendu indépendant du manchon 21 disposé dans le prolongement de celui-ci et serré par l'écrou 26. Chacun des caloducs 24 est constitué par un tube renfermant un fluide d'échange thermique et des moyens pour la canalisation de ce fluide à l'intérieur du caloduc 24. La partie des caloducs 24 disposée à l'inté- rieur du boitier 16 assure un prélèvement de chaleur qui se traduit par une élévation de la température du fluide d'échange et une évaporation de celui- ci, la vapeur remontant alors vers l'extrémité supérieure du caloduc 24 si- tuée à l'extérieur du boitier 16. Cette partie du caloduc 24 est introduite dans un dispositif de prélèvement de chaleur ou laissée en contact avec l'air ambiant, ce qui permet la condensation du fluide d'échange thermique, ce fluide repassant ainsi à l'état liquide et redescendant par gravité dans le caloduc vers son extrémité inférieure disposée à l'intérieur du boitier 16, au voisinage du fourreau 8. La virole tronconique supérieure 18 du boitier 16 est percée d'au moins une ouverture sur laquelle est fixée une portion de tubulure 31 qui peut être fermée par un bouchon 31a. De même, la virole tronconique infé- rieure 17 est percée d'une ouverture au niveau de laquelle est fixée une portion de tubulure 30 qui peut être fermée par un bouchon 30a. Les dispositifs 31, 31a et 30, 30a permettent respectivement, l'introduction ou la vidange d'une poudre métallique 32 remplissant le volu- me interne du boitier 16. On utilise de la poudre de cuivre de fine granulo- métrie qui est vibrée pour assurer une bonne cohésion des grains. La poudre métallique 32 remplissant le boitier 16 constitue un produit fluide d'échan- ge thermique entre le fourreau 8 et les caloducs 24. Lorsque le sodium liquide de la chambre 1 du robinet vient rem- plir l'espace annulaire 10 situé entre la tige de commande 7 et le fourreau 8, la chaleur de ce sodium liquide, au niveau du dispositif de refroidisse- ment 15, est transmise par l'intermédiaire du fourreau 8 et de la poudre mé- tallique 32 à l'extrémité inférieure des caloducs 24. Cette chaleur permet l'évaporation du liquide d'échange thermique contenu dans le caloduc, la va- peur de ce liquide remontant ensuite vers l'extrémité refroidie du caloduc, à l'extérieur du boitier 16 o la vapeur du liquide d'échange est conden- sée. Le liquide condensé redescend alors par gravité à la partie inférieure du caloduc 24, à l'intérieur du boitier 16, o ce liquide est à nouveau va- porisé par la chaleur de l'anneau de sodium 10 transmise par l'intermédiai- re du fourreau 8 et de la poudre 32. On obtient ainsi un refroidissement intense de l'anneau de sodium au niveau du boitier 16 et sur toute la longueur de celui-ci. L'anneau de sodium 10 est ainsi solidifié, ce qui permet d'obtenir une bonne étanchéité autour de la tige de manoeuvre 7. La hauteur du boitier 16 dans la direction axiale du fourreau 8 est choisie de façon que l'étanchéité assurée par l'anneau de sodium solidi- fié soit suffisante et pour que l'anneau de sodium solide soit stable pen- dant le fonctionnement du robinet. La hauteur de la zone de refroidissement ne doit cependant pas être trop grande pour éviter de réduire la manoeuvra- bilité de la tige 7. C'est la raison pour laquelle on choisit une hauteur du boitier du dispositif de refroidissement au moins égale au diamètre extérieur du fourreau 8 et de préférence voisine de 1,5 fois ce diamètre. L'inclinaison vers le bas du caloduc 24, en direction du fourreau 8, est déterminée par les caractéristiques de viscosité du liquide d'échan- ge contenu dans le caloduc. Cet angle est généralement voisin de 10 pour assurer un retour du liquide vers la partie basse du caloduc, dans de bon- nes conditions. Sur la figure 4, on voit un second mode de fixation d'un caloduc 24 sur la virole cylindrique externe 19 d'un boitier 16, par l'intermédiai- re d'un manchon fileté 21. Le caloduc 24 comporte une zone 24a élargie diamétralement et un écrou 28 permet, par vissage sur la partie filetée 21a du manchon 21, de serrer un joint d'étanchéité 29 intercalé entre la partie élargie 24a du ca- loduc 24 et l'extrémité du manchon 21. Un tel montage permet de réaliser un assemblage totalement étanche entre le caloduc et le boitier 16. On peut alors utiliser, pour assurer un couplage thermique opti- mal entre le fourreau 8 et le caloduc 24, à l'intérieur du boitier 16, un liquide bon conducteur de la chaleur. On peut ainsi utiliser comme liquide d'échange thermique, à l'in- térieur du boitier 16, un métal tel que le mercure ou un alliage à bas point de fusion tel qu'un alliage du type Darcey ou encore un alliage plomb- bismuth. On pourrait également utiliser un liquide à très faible tension de vapeur comme une huile silicone ou encore un liquide organique du type ter- phényl. Dans le cas de l'utilisation d'un liquide dont le coefficient de dilatation est plus grand que le coefficient de dilatation de l'acier cons- tituant le caisson, on n'effectue qu'un remplissage partiel de ce caisson, de façon à immerger complètement le caloduc 24 dans le liquide d'échange thermique tout en laissant un volume de ce caisson non rempli pour permet- tre la dilatation du liquide d'échange thermique. On voit que les principaux avantages du dispositif de refroidisse- ment suivant l'invention sont de réaliser un refroidissement intense sur une longueur parfaitement contr8ôlée du fourreau renfermant la tige de com- mande, d'être d'un encombrement réduit et de permettre d'utiliser des four- reaux et des tiges de commande de hauteur réduite. Le dispositif est d'autre part simple à réaliser et d'un fonctionnement très sûr. Ce disposi- tif utilise des caloducs standard qui sont des composants qui peuvent être trouvés facilement dans le commerce. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui vient d'être décrit. C'est ainsi qu'il est possible d'utiliser un caisson d'une forme différente de celle qui a été décrite, par exemple un caisson de for- me cylindrique et d'une hauteur suffisante pour permettre d'y loger un calo- duc en position inclinée. Un caisson tronconique a cependant l'avantage de limiter le volume du boitier pour une même inclinaison des caloducs. On peut également utiliser plusieurs jeux de caloducs superposés suivant la direction axiale du fourreau, logés dans un même boitier ou dans des boitiers différents. On peut évidemment associer plusieurs dispositifs de refroidissement en série, disposés les uns à la suite des autres sur le fourreau. On pourra utiliser tout type de caloducs dont les températures de fonctionnement sont compatibles avec les conditions d'utilisation qui dépen- dent elles-mêmes de la nature du liquide à bas point de fusion contrôlé par le robinet. On pourra utiliser un produit fluide d'échange thermique, à l'in- térieur du boitier, différent d'une poudre ou d'un liquide conducteur pour le couplage thermique entre le fourreau et les caloducs. On pourra choisir un boitier d'une hauteur, suivant la direction axiale du fourreau, différente de celle qui a été prescrite, à savoir une fois et demi de diamètre du fourreau. Cependant, pour concilier les divers impératifs concernant l'étanchéité et la manoeuvrabilité de la tige de com- mande, cette hauteur du boitier doit être comprise entre une fois et deux fois le diamètre extérieur du fourreau. Enfin, le dispositif de refroidissement suivant l'invention peut servir non seulement dans le cas d'un robinet destiné à régler l'écoulement de sodium liquide, dans un circuit d'un réacteur nucléaire à neutrons rapi- des mais encore dans le cas de tout robinet à joint gelé destiné à régler l'écoulement d'un liquide à bas point de fusion, dans des industries telles que l'industrie chimique. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de refroidissement du fourreau (8) de la tige de commande (7) d'un robinet à joint gelé destiné à régler l'écoulement d'une substance à bas point de fusion et comportant un corps (1) recevant la subs- tance liquide ayant une ouverture d'entrée (2a), une ouverture de sortie (3a) qui peut être fermée par un opercule (6) solidaire de la tige de com- mande (7) ainsi qu'une ouverture (9) de mise en communication de la chambre (1) avec le fourreau (8) disposé verticalement de telle sorte que la subs- tance liquide vienne remplir l'espace annulaire 10 réservé entre le four- reau (8) et la tige de commande (7) pour y constituer localement un joint gelé par refroidissement dans le fourreau (8), caractérisé par le fait qu'il est constitué par: - un boitier (16) symétrique de révolution fixé autour du fourreau (8) co- axialement à celui-ci et fermé à sa périphérie par une virole externe (19) coaxiale au fourreau (8), - au moins trois caloducs (24) du type à évaporation et condensation d'un liquide d'échange thermique, traversant la virole externe (19) du boitier (16), de façon que la partie du caloduc (24) o a lieu l'évaporation du li- quide d'échange soit à l'intérieur du boitier (16) et la partie o a lieu la condensation, à l'extérieur, ces caloducs (24) étant inclinés vers le bas en direction du fourreau (8) et passant au voisinage de la surface ex- terne du fourreau (8), à l'intérieur du boitier (16). - et un produit fluide d'échange thermique (32) remplissant au moins par- tiellement le volume interne du boitier (16). 2.- Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le boitier (16) est constitué par deux viroles tronconiques (17 et 18) ayant leur axe confondu avec l'axe du fourreau (8) soudées sur la surface externe du fourreau (8), le long de leur petite base, espacées suivant la direction axiale du fourreau (8), évasées vers le haut et fixées le long de leur grande base à une virole cylindrique (19) ayant son axe confondu avec l'axe du fourreau (8). 3.- Dispositif de refroidissement suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que la virole inférieure (17) a un angle au sommet plus faible que la virole supérieure (18). 4.- Dispositif de refroidissement suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les caloducs font un angle voisin de 10 avec le plan horizontal. 5.- Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le produit fluide d'échange thermique disposé à l'intérieur du boitier (16) est une poudre métallique tassée par vibrage. 6.- Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le produit fluide d'échange thermique disposé à l'intérieur du boitier (16) est un liquide conducteur appartenant au grou- pe: mercure, métal ou alliage à bas point de fusion, huile silicone, liqui- de organique du type terphényl. 7.- Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la hauteur du boitier (16), suivant la direc- tion axiale du fourreau (8), est comprise entre une fois et deux fois le diamètre du fourreau (8) et de préférence voisine de 1,5 fois ce diamètre. 8.- Dispositif de refroidissement suivant l'une quelconque des re- vendications 1 à 7, dans le cas d'un robinet destiné à régler l'écoulement de sodium liquide dans un circuit d'une centrale nucléaire à neutrons rapi- des. DIX PAGES NOVATOME