Brevet FR2610088A1 — publié le 19880729

DISPOSITIF DE W ROIDISSEHENT D'UNE STBUCTUBE SOUMISE A UN FLUX THERMIQUE INTENSE ET PBOCEDE DE tFALISATION DE CE DISPOSITIF DOMAINE TECHNIQUE DE L' INVENTION L'invention concerne un dispositif de refroidissement, par circulation de fluide, d'une structure soumise à un flux thermique intense, continu, discontinu ou impulsionnel et un procédé de réalisation de ce dispositif. ETAT DE LA TECHNIQUE Il existe de nombreux cas où l'on est amené à refroidir une structure soumise à un flux thermique intense, ce flux thermique pouvant être d'origine externe ou interne par rapport à la structure, qui peut être métallique ou constitué d'un matériau carboné ou céramique. Le flux thermique, selon les cas, peut être continu, discontinu ou impulsionnel. On peut citer, notamment, des réacteurs chimiques, des dispositifs de combustion, de coulée continue de métaux fondus, des réacteurs nucléaires à fission ou à fusion, des cibles soumises à des flux intenses de rayonnements (X, lasers, etc), ou de particules, qui peuvent être continus ou impulsionnels. La solution classique consiste à disposer dans la structure à refroidir, des ensembles de tubes dans lesquels circule un fluide de refroidissement. Le problème qui se pose est d'assurer un très bon contact thermique entre les canaux ménagés dans le matériau constituant la structure et la paroi externe des tubes métalliques de refroidissement, compte tenu des irrégularités des surfaces en regard et surtout des dilatations différentielles entre les tubes et la structure à refroidir, au cours des cycles thermiques auxquels elle est soumise, et qui sont souvent très brutaux (par exemple dans les réacteurs thermonucléaires a' fusion). Dans la demande de brevet français 86-08981, déposé le 16 Juin 1986 par l'un des demandeurs de la présente demande, on a proposé de constituer des contacts thermiques à fort coefficient de transfert, entre des matériaux pouvant avoir des coefficients de dilatation différents, par du graphite expansé comprimé inséré entre lesdits matériaux. La présente demande constitue un perfectionnement de cette demande antérieure. OMET DE L'INVENTION Un premier objet de l'invention est un dispositif de refroidissement d'une structure soumise à un flux thermique intense, continu, discontinu ou impulsionnel, au moyen de tubes à circulation de fluide, disposée dans des canaux ménagés dans ladite structure, caractérisé en ce que l'on interpose entre la structure à refroidir et chaque tube un matériau souple, bon conducteur de la chaleur, à l'état comprimé. Ce matériau souple est, de préférence, du graphite expansé recomprimé, éventuellement chargé d'une poudre métallique. I1 peut être également constitué par d'autres formes de produits carbonés souples, tels que tissus ou feutres en fibre de carbone ou de graphite éventuellement chargé de poudre métallique. Un autre objet de l'invention est un procédé de refroidissement d'une structure soumise à un flux thermique intense, continu, discontinu ou impulsionnel, au moyen de tubes à circulation de fluide, disposés dans des canaux ménagés dans ladite structure, caractérisé en ce que l'on entoure préalablement chaque tube d'une couche de matériau souple, puis l'on insère-chaque tube dans les canaux, et on soumet les tubes à une expansion sous pression de façon à. assurer la compression du matériau souple entre le tube et les canaux à un niveau au moins égal à 10 kPa. Un autre objet de l'invention est un procédé de refroidissement d'une structure soumise à un flux thermique intense, continu ou impulsionnel, au moyen de tubes à circulation de fluide, cette structure étant constituée d'une pluralité d'éléments discrets, caractérisé en ce que l'on forme, dans chaque élément de la structure, au moins un canal semicirculaire, on dispose chaque élément sur au moins un tube de refroidisserment, en interposant une couche de matériau souple, et on solidarise les éléments et is tubes, de façon à appliquer, sur le matériau souple, un niveau de compression au moins égal à 10 kPa. Enfin, un dernier objet de l'invention est l'application du procédé et du dispositif au refroidissement de la première paroi d'un réacteur thermonucléaire à fusion. DESCRIPTION DES FIGURES Les figures 1 à 5 illustrent l'invention. Pour la clarté des dessins, on a fortement exagéré l'épaisseur des parois des tubes métalliques et de couches de matériau souple. Sur la figure 1, la structure 1 à refroidir, comporte une pluralité de canaux tels que 2 dans lesquels sont insérés des tubes métalliques tels que 3, qui permettent la circulation d'un fluide de refroidissement (liquide ou gazeux). Le contact thermique entre la structure 1 (qui est, par exemple, un bloc de graphite), et le tube métallique 3 est assuré par l'intermédiaire d'une couche mince 4 de matériau souple bon conducteur tel que du graphite expansé comprimé. Pour le montage, on prévoit un jeu suffisant entre le tube métallique 3 et le canal 2, et on entoure le tube d'une couche 4 de graphite expansé. Le montage étant effectué, on soumet le tube métallique à une expansion par exemple par mise sous pression hydraulique, ce qui provoque la compression de la couche 4 de graphite expansé et réduit son épaisseur à une valeur qui peut etre comprise entre 0,1 et 2 mm par exemple. La pression à laquelle est soumise la bande 4 doit être au moins égale à 10 kPa, de façon à assurer un coefficient de transfert thermique au moins égal à 104W.m-2K'1. Sur la figure 2, on a représenté en coupe transversale un élément de structure 5 en graphite, de forme parallèlépipédique, comportant deux tubes de refroidissement 3 dont le contact thermique avec le bloc de graphite 5 est assuré par interposition d'une couche de graphite expansé 4, dont l'épaisseur a été réduite d'environ 10% du fait de l'expansion des tubes 2 après mise en place. La figure 3 montre une variante de réalisation dans laquelle le flux thermique est apporté par un fluide extérieur 6, qui est contenu par une première paroi 7, qui est de préférence métallique pour en garantir l'étanchéité; le contact thermique entre cette paroi 7 et le tube de refroidissement 3 est assuré, de la même façon, par interposition d'une feuille de graphite expansé 4, comprimé après montage par expansion du tube 2, la feuille de graphite expansé ainsi comprimé ayant une épaisseur finale de l'ordre de 0,2 mm. Les figures 4 et 5 représentent une variante de mise en oeuvre de l'invention selon laquelle la structure à refroidir est mise en place sur le faisceau de tubes après interposition de la couche de matériau souple. Dans le cas représenté, la structure à refroidir est constituée par un ensemble d'éléments discrets tels que les briques 8 en matériau carboné (graphite, ou composite carbone-carbone), dans lesquelles on a préformé ou usiné des canaux semi-circulaires que l'on applique sur les tubes 3 avec interposition du matériau souple 4. La mise en compression du matériau souple 4 s'effectue par le moyen de mise en place et d'immobilisation des briques 8, qui peut être de tout type connu (étriers, tiges filetées etc). Une telle structure peut, par exemple, constituer la première paroi d'un réacteur thermonucléaire à fusion du type torique, qui est soumise directement au flux thermique engendré par les réactions thermonucléaires. L'utilisation de graphite expansé comprimé pour constituer l'élément souple 4 présente en outre l'avantage d'assure, du fait de sa structure anisotrope, un étalement du flux thermique dans la direction perpendiculaire au sens de sa transmission. De cette façon, un pic thermique local ("poind chaud") sur la face externe de la structure à refroidir est étalé sur une zone périphérique étendue du tube de refroidissement, en raison de la conductivité élevée du graphite expansé comprimé dans. le sens parallèle aux feuillets de graphite, c'est-àdire dans le sens perpendiculaire à la compression et aux flux thermique. On rappelle que ce type de graphite est obtenu par un chauffage brutal de graphite lamellaire, à une température pouvant atteindre 10000C, donnant ainsi un graphite exfolié dont la densité est de l'ordre de 0,002. Ce graphite peut être ensuite comprimé en blocs de densité allant de 0,02 à 2,0 ou laminé en feuilles de 0,1 à 2 mm d'épaisseur, de densité de l'ordre de 1. Ce produit est vendu par la société "LE CARBONE-LORRAINE" sous la marque déposée "PAPYEX". I1 existe sous différentes nuances qui différent notamment par leur coefficient de dilatation, qui se situent entre, environ 4 et 6.10-6. K-1. Ce graphite expansé peut aussi comporter une charge telle qu'une poudre métallique, qui améliore sa conductivité thermique. Pour la mise en oeuvre de l'invention, on peut utiliser d'autres formes de matériaux carbonés souples tels que tissus ou feutres en fibres de carbone ou de graphite, chargés, éventuellement, de poudre métallique pour en améliorer la conductivité thermique. Compte tenu de leur structure fibreuse, ces matériaux ont aussi une conductivité thermique fortement anisotrope. L'invention trouve son application chaque fois que des flux thermiques intenses, continus, discontinus ou impulsionnels, doivent être évacués par des moyens de refroidissement à circulation de fluides, et notamment dans les réacteurs nucléaires à fusion ou à fission, le coulée continue de métaux, les cibles soumises à des flux intenses de rayonnements ou de particules qui peuvent se situer à des niveaux, par exemple de une à plusieurs centaines de watts par centimètre-carré. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement d'une structure soumise â un flux thermique intense, continu, discontinu ou impulsionnel, aù moyen de tubes à circulation de fluide disposés dans des canaux 2 ménagés dans ladite structure, caractérisé en ce que l'on interpose entre la structure 1 à refroidir et chaque tube 3 un matériau souple 4, bon conducteur de la chaleur, à l'état comprimé. 2. Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que chaque canal de la structure à refroidir est constitué par un tube métallique (7), disposé concentriquement et à l'extérieur du tube de refroidissement (3) dont il est séparé par une couche de matériau souple (4), bon conducteur de la chaleur, à l'état comprimé. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le matériau souple 4 est constitué par du graphite expansé. 4. Dispositif selon revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le matériau souple 4 est constitué par du graphite expansé chargé avec une poudre métallique. 5. Dispositif selon revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que le matériau souple 4 est constitué par un matériau carboné fibreux choisi parmi les tissus et feutres en fibres de carbone ou de graphite > chargés ou non de poudre métallique. 6. Procédé de refroidissement d'une structure soumise à un flux thermique intense, continu, discontinu ou impulsionnel, au moyen de tubes 3 à circulation de fluide, disposés dans des canaux 2 ménagés dans ladite structure caractérisé en ce que l'on entoure préalablement chaque tube 3 d'une couche de matériau souple 4, puis l'on insère chaque tube dans les canaux 2, et on soumet les tubes 3 à une expansion sous pression de façon à assurer la compression du matériau souple entre le tube 3 et les canaux 2 à un niveau au moins égal à 10 kPa. 7. Procédé de refroidissement d'une structure soumise à un flux thermique intense, continu, discontinu ou impulsionnel, au moyen de tubes à circulation de fluide, cette structure étant constituée d'une pluralité d'éléments discrets 8, caractérisé en ce que l'on forme, dans chaque élément de la structure au moins un canal semi-circulaire 9, on dispose chaque élément sur au moins un tube de refroidissement 2, en interposant une couche de matériau souple 4, et on solidarise les éléments 8 et les tubes 3 de façon à appliquer, sur le matériau souple, un niveau de compression au moins égal à 10 kPa. 8. Procédé selon revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que le matériau souple 4 est du graphite expansé. 9. Procédé selon revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le matériau souple 4 est du graphite expansé chargé avec une poudre métallique. 10. Procédé selon revendication 6 ou 7 caractérisé en ce que le matériau souple 4 est constitué par un matériau carboné fibreux choisi parmi les tissus et feutres en fibres de carbone ou de graphite, chargés ou non de poudre métallique. 11. Application du dispositif et du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, au refroidissement de la première paroi d'un réacteur thermonucléaire à fusion, par exemple du type torique.