Brevet FR2832490A1 — publié le 20030523

L'invention concerne un générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé pourvu d'un tube échangeur de chaleur intermédiaire et d'un tube échangeur de chaleur pour la génération de vapeur disposés séparément à l'intérieur d'une enceinte, et ayant une fonction de génération de vapeur en faisant circuler à force un fluide de refroidissement secondaire (fluide de refroidissement intermédiaire) dans l'enceinte pour soumettre ainsi le fluide de refroidissement à un échange de chaleur. Cette technique est particulièrement utile pour un générateur de vapeur dans un réacteur refroidi au sodium liquide. Dans un réacteur surrégénérateur rapide utilisant du sodium métallique liquide en tant que fluide de refroidissement, de l'énergie électrique est générée par une turbine, en sorte qu'on utilise un générateur de vapeur conçu pour générer de la vapeur d'eau à l'aide de la chaleur du sodium. Ce générateur de vapeur est généralement construit de façon que du sodium liquide passe à l'intérieur d'un tube échangeur de chaleur et que de l'eau entourant le tube échangeur de chaleur soit chauffée et transformée en vapeur. Cependant, le sodium a pour propriété de réagir violemment avec l'eau. Par conséquent, on utilise généralement un système de refroidissement secondaire utilisant un échangeur de chaleur intermédiaire et un fluide de refroidissement secondaire du sodium afin d'empêcher l'effet d'une interaction de l'eau avec le sodium de s'exercer sur un c#ur de réacteur dans le cas peu fréquent d'une rupture du tube échangeur de chaleur dans le générateur de vapeur. Autrement dit, le c#ur du réacteur est refroidi par un fluide de refroidissement primaire du sodium, et un fluide de refroidissement secondaire constitué de sodium est chauffé avec la chaleur du sodium de refroidissement primaire dans l'échangeur de chaleur intermédiaire. Le sodium de refroidissement secondaire est ensuite guidé dans le générateur de vapeur, où de l'eau est chauffée par la chaleur du sodium de refroidissement secondaire et transformée en vapeur. En comparaison avec une structure dans laquelle de la vapeur d'eau est générée dans un générateur de vapeur en utilisant directement le sodium de refroidissement primaire qui est passé dans un c#ur de réacteur, le système de refroidissement secondaire décrit ci-dessus est avantageux par le fait que l'effet exercé sur le c#ur du réacteur est faible en cas de rupture du tube échangeur de chaleur, et par le fait que le sodium activé ne fuit pas vers l'extérieur. Par ailleurs, le système de refroidissement secondaire nécessite divers types d'équipements comprenant un échangeur de chaleur intermédiaire, une pompe primaire, une installation de canalisations, du matériel auxiliaire tel qu'un dispositif de mesure et de commande, un dispositif de préchauffage, un dispositif de purification du sodium et analogues, un réservoir de décharge et autres. De plus, étant donné qu'une grande quantité du sodium de refroidissement secondaire est nécessaire, le coût augmente. De plus, on a également besoin d'un espace important où mettre en place ces divers types de matériels. L'invention a donc pour objet de proposer un générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé ayant à la fois la fonction d'un échangeur de chaleur intermédiaire et celle d'un générateur de vapeur afin qu'un système de refroidissement secondaire puisse être simplifié et que la quantité de sodium de refroidissement et l'espace demandé pour la mise en place du système de refroidissement secondaire puissent être notablement réduits. Un autre objet de l'invention est de proposer un générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé capable d'établir un haut niveau de sécurité même dans le cas improbable d'une rupture d'un tube échangeur de chaleur. Conformément à l'invention, il est proposé un générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé, comportant : une enceinte emmagasinant un fluide de refroidissement secondaire, un tube échangeur de chaleur intermédiaire et un tube échangeur de chaleur pour la génération de vapeur disposés séparément dans l'enceinte, et un mécanisme à pompe destiné à faire circuler à force le fluide de refroidissement secondaire dans l'enceinte. Conformément à l'invention, il est également proposé un générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé, comportant une enceinte cylindrique emmagasinant un fluide secondaire de refroidissement constitué de sodium liquide, un cylindre intérieur disposé dans l'enceinte cylindrique pour former un passage d'écoulement du fluide de refroidissement secondaire et diviser le passage d'écoulement en parties de passage d'écoulement à l'intérieur et à l'extérieur du cylindre intérieur, un tube échangeur de chaleur pour la génération de vapeur en forme de serpentin hélicoïdal disposé dans une partie supérieure de l'intérieur du cylindre intérieur, un tube échangeur de chaleur intermédiaire disposé séparément du tube échangeur de chaleur pour la génération de vapeur dans une partie inférieure de l'intérieur du cylindre intérieur, et un mécanisme à pompe électromagnétique formé par une bobine d'entraînement électromagnétique située sur une circonférence extérieure de l'enceinte cylindrique et un noyau magnétique relié au cylindre intérieur, grâce à quoi le fluide de refroidissement secondaire est amené à circuler à force dans l'enceinte afin que le fluide de refroidissement secondaire s'élève dans la partie du passage d'écoulement à l'intérieur du cylindre intérieur et descende dans la partie du passage d'écoulement à l'extérieur du cylindre intérieur. Dans le générateur de vapeur décrit ci-dessus, il est possible de diviser la partie du passage d'écoulement entre l'enceinte cylindrique et le cylindre intérieur en plusieurs parties à l'aide de plusieurs plaques de cloisonnement disposées radialement. Dans un tel cas, la bobine d'entraînement électromagnétique est miniaturisée et plusieurs bobines miniaturisées d'entraînement magnétique sont placées sur la circonférence extérieure de l'enceinte cylindrique. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention, au moins une plaque poreuse ou une plaque fendue est disposée entre le tube échangeur de chaleur intermédiaire et le tube échangeur de chaleur pour la génération de vapeur, grâce à quoi la rupture de l'un de ces tubes échangeurs de chaleur n'a pas d'effet sur l'autre tube. Dans le cas où plusieurs plaques poreuses ou plaques fendues sont mises en place, elles devraient être positionnées avec un certain espace entre elles. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe longitudinale montrant une forme de réalisation du générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé selon l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe suivant la ligne x-x de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue en coupe montrant une autre forme de réalisation de l'invention. La figure 1 illustre une forme de réalisation du générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé selon l'invention, qui convient pour un système de refroidissement secondaire pour un réacteur surrégénérateur rapide refroidi au sodium. La figure 1 est une vue en coupe longitudinale et la figure 2 est une vue en coupe transversale suivant la ligne x-x de la figure 1. Une enceinte cylindrique 10 ayant un fond et un couvercle supérieur est pourvue intérieurement d'un cylindre intérieur 12 qui est coaxial avec l'enceinte cylindrique 10 et en est espacé. La longueur (hauteur) du cylindre intérieur 12 est plus faible que celle (la hauteur) de l' enceinte 10, et les extrémités supérieure et inférieure du cylindre intérieur 12 sont suffisamment espacées du couvercle supérieur et du fond de l'enceinte cylindrique 10, respectivement. L'enceinte cylindrique 10 emmagasine en elle un fluide de refroidissement secondaire (du sodium liquide) 14, et un niveau supérieur libre du liquide est recouvert d'un gaz de couverture (gaz inerte) 16. Le cylindre intérieur 12 remplit la fonction consistant à séparer un passage d'écoulement en parties situées sur ses côtés intérieur et extérieur, et la partie du passage d'écoulement à l'intérieur du cylindre intérieur forme une région d'écoulement ascendant, tandis que la partie du passage d'écoulement à l'extérieur du cylindre intérieur (c'est-à-dire entre l'enceinte cylindrique 10 et le cylindre intérieur 12) forme une région d'écoulement descendant. Par conséquent, le niveau libre du liquide est établi de façon que l'extrémité supérieure du cylindre intérieur 12 soit totalement immergée dans le fluide de refroidissement secondaire 14. Des plaques poreuses 18, qui peuvent être remplacées par des plaques fendues, sont placées dans la partie sensiblement centrale de l'intérieur du cylindre intérieur 12 par rapport à sa direction verticale. Le diamètre des pores ou la largeur des fentes doit être établi à des niveaux auxquels le sodium liquide peut les traverser librement. Les plaques poreuses ou plaques fendues 18 peuvent être prévues individuellement, ou en nombre de façon espacée. Dans la forme de réalisation telle que montrée sur la figure 1, deux plaques poreuses 18 sont fixées horizontalement à l'intérieur du cylindre intérieur 12 avec un espace entre les plaques. Un tube échangeur de chaleur intermédiaire 20 en forme de serpentin hélicoïdal est disposé dans la partie intérieure du cylindre intérieur 12 qui est en dessous de la plaque poreuse inférieure 18, et un tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur, en forme de serpentin hélicoïdal, est disposé dans la partie intérieure du cylindre intérieur 12 qui est au dessus de la plaque poreuse supérieure 18. Dans la présente invention, étant donné que ces tubes échangeurs de chaleur 20,22 sont formés de façon à être hélicoïdaux, ils peuvent être réalisés sous un faible encombrement et aisément maintenus à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 10. En outre, en disposant le tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur et le tube échangeur de chaleur intermédiaire 20 dans un positionnement relatif vertical, on établit vers le haut le sens d'écoulement du fluide de refroidissement secondaire 14 autour de ces tubes échangeurs de chaleur 20,22 à l'intérieur du cylindre intérieur 12 et on améliore ainsi le rendement de l'échange de chaleur. Une bobine 24 d'entraînement électromagnétique est prévue sur une circonférence extérieure de l'enceinte cylindrique 10, et un noyau magnétique 26 est fixé au cylindre intérieur 12. Cette bobine et ce noyau forment une pompe électromagnétique, qui entraîne le fluide de refroidissement secondaire (sodium liquide) 14. Le rendement de l'échange de chaleur est amélioré et les dimensions du générateur de vapeur sont réduites du fait de la circulation forcée du fluide de refroidissement secondaire 14 dans l'enceinte cylindrique 10. En plaçant la bobine d'entraînement électromagnétique 24 sur la partie circonférentielle située le plus à l'extérieur de l'enceinte cylindrique 10 de cette manière, on permet à la bobine d'entraînement 24 d'être réalisée sous un faible encombrement et intégrée à l'enceinte cylindrique 10. En outre, la présence de la bobine d'entraînement électromagnétique 24 sur la partie circonférentielle située le plus à l'extérieur de l'enceinte cylindrique 10 permet non seulement une opération d'auto-refroidissement, mais également une opération de refroidissement forcé. Le fluide de refroidissement primaire (sodium liquide) chauffé en s'écoulant à travers le c#ur du réacteur atteint le générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé, s'écoule à travers l'intérieur du tube échangeur de chaleur intermédiaire 20 et transmet de la chaleur au fluide de refroidissement secondaire (sodium liquide) 14 présent autour du tube échangeur de chaleur intermédiaire 20. Le fluide de refroidissement secondaire (sodium liquide) 14 ainsi chauffé s'élève dans le cylindre intérieur 12, passe à travers les pores ou les fentes des plaques poreuses ou des plaques fendues 18, s'écoule autour du tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur et transmet de la chaleur à l'eau s'écoulant à l'intérieur du tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur. L'eau passant dans ce tube échangeur de chaleur 22 est ainsi chauffée et transformée en vapeur, laquelle s'écoule du générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé vers une génératrice à turbine et analogue. Dans la présente invention, le rendement de la transmission de la chaleur depuis le fluide de refroidissement primaire (sodium liquide) dans le tube échangeur de chaleur intermédiaire 20 vers le fluide de refroidissement secondaire (sodium liquide) 14, et celui de la transmission de chaleur du fluide de refroidissement secondaire (sodium liquide) 14 à l'eau dans le tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur sont améliorés par la fluidisation et la mise en circulation à force du fluide de refroidissement secondaire (sodium liquide) 14 à l'intérieur de l'enceinte cylindrique 10 au moyen du mécanisme à pompe électromagnétique. Dans la forme de réalisation illustrée, un mécanisme à pompe électromagnétique du type à induction ayant une structure de canaux simples et ne nécessitant pas d'électrode à laquelle un courant électrique est fourni depuis l'extérieur, est formé par la bobine d'entraînement électromagnétique 24 placée sur la circonférence extérieure de l'enceinte cylindrique 10 et le noyau magnétique 26 fixé au cylindre intérieur 12, afin que le fluide de refroidissement secondaire (sodium liquide) 14 dans la région cylindrique se trouvant entre le cylindre intérieur 12 et l'enceinte cylindrique 10 puisse être entraîné vers le bas. La bobine d'entraînement électromagnétique 24 est une bobine destinée à entraîner un fluide conducteur (sodium de refroidissement secondaire) qui est formée par un enroulement dérivé spatialement, par exemple un enroulement à trois couches, et elle est conçue pour générer un champ magnétique progressif en étant alimentée par un courant alternatif triphasé. Le noyau magnétique 26 a pour fonctions de renforcer le champ magnétique et d'améliorer l'efficacité de l'entraînement. Même lorsque de l'hydrogène gazeux est dégagé par suite d'une interaction de l'eau ou de la vapeur d'eau s'écoulant dans le tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur avec le fluide de refroidissement secondaire (sodium liquide) 14, laquelle interaction se produit dans le cas rare d'une rupture du tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur, les plaques poreuses ou plaques fendues 18 ont pour fonctions de protéger et d'isoler le tube échangeur de chaleur intermédiaire 20 afin que cette interaction n'ait pas pour effet d'altérer le bon état du tube échangeur de chaleur intermédiaire 20. Même lorsqu'on utilise en tant que fluide de refroidissement secondaire une matière réagissant avec le fluide de refroidissement primaire, les plaques poreuses ou plaques fendues peuvent également avoir pour fonctions d'empêcher qu'une interaction du fluide de refroidissement primaire et du fluide de refroidissement secondaire, laquelle interaction se produit en cas de rupture du tube échangeur de chaleur intermédiaire 20, exerce directement un effet sur le tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur et nuise au bon état du tube échangeur de chaleur 22. Lorsqu'il est nécessaire de refroidir la bobine d'entraînement électromagnétique 24 du mécanisme à pompe électromagnétique, la circonférence extérieure de l'enceinte cylindrique 10 est recouverte d'une matière isolante (non représentée), et la bobine d'entraînement électromagnétique 24 est placée sur le côté extérieur de la matière isolante. On peut adopter un tel agencement, car la bobine électromagnétique 24 est placée sur la surface située le plus à l'extérieur de l'enceinte cylindrique 10, et cet agencement permet à la bobine d'entraînement électromagnétique 24 d'être auto-refroidie ou refroidie à force. La figure 3 montre une autre forme de réalisation de l'invention. Cette figure est un dessin préparé de façon à correspondre au dessin suivant la ligne de coupe x-x de la figure 1, comme sur la figure 2. Pour simplifier la description de la forme de réalisation, on utilise les mêmes références numériques que sur la figure 2 pour désigner les éléments correspondants. Dans cette forme de réalisation, le passage d'écoulement entre l'enceinte cylindrique 10 et le cylindre intérieur 12 est divisé en plusieurs parties par plusieurs plaques 30 de cloisonnement disposées radialement, et la bobine d'entraînement électromagnétique 32 est également miniaturisée et prévue en nombre. Dans cette forme de réalisation, il est montré un exemple dans lequel le passage d'écoulement est divisé en huit parties de passage d'écoulement par huit plaques de cloisonnement 30, et huit bobines d'entraînement électromagnétiques miniaturisées sont disposées séparément. Dans cette structure, même la difficulté à fabriquer une pompe électromagnétique de grande dimension, pour courant intense, peut être résolue en combinant ensemble plusieurs bobines d'entraînement électromagnétique miniaturisées 32, et on obtient les avantages d'une fabrication aisée des bobines miniaturisées et d'une exécution aisée du travail de maintenance. Comme on le comprendra d'après ce qui précède, le générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé selon l'invention permet de remplir les mêmes fonctions que celles d'un système de refroidissement secondaire de l'art antérieur comprenant un échangeur de chaleur intermédiaire, une canalisation secondaire, une pompe secondaire, un générateur de vapeur et autres. De plus, le matériel nécessaire et l'espace pour la mise en place peuvent être notablement réduits, et la longueur des canalisations peut être raccourcie, en comparaison avec le système de refroidissement secondaire de l'art antérieur. En outre, dans la présente invention, on peut disposer une ou plusieurs des plaques poreuses ou des plaques fendues entre le tube échangeur de chaleur intermédiaire et le tube échangeur de chaleur pour la génération de vapeur. Une telle structure permet d'éviter une interaction du fluide de refroidissement primaire s'écoulant dans un c#ur de réacteur avec de l'eau ou de la vapeur d'eau lorsque l'un de ces tubes échangeurs de chaleur se rompt, et permet d'assurer une sécurité suffisante. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au générateur de vapeur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte (10) emmagasinant un fluide de refroidissement secondaire (14), un tube échangeur de chaleur intermédiaire (20) et un tube échangeur de chaleur (22) pour la génération de vapeur disposés séparément dans l'enceinte, et un mécanisme à pompe (24,26) pour faire circuler à force le fluide de refroidissement secondaire dans l'enceinte. 2. Générateur de vapeur du type à échangeur de chaleur intermédiaire incorporé, caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte cylindrique (10) emmagasinant un fluide de refroidissement secondaire (14) constitué de sodium liquide, un cylindre intérieur (12) disposé dans l'enceinte cylindrique pour former un passage d'écoulement du fluide de refroidissement secondaire et diviser le passage d'écoulement en parties de passage d'écoulement situées à l'intérieur et à l'extérieur du cylindre intérieur, un tube échangeur de chaleur 22 pour la génération de vapeur, en forme de serpentin hélicoïdal, disposé dans une partie supérieure de l'intérieur du cylindre intérieur, un tube échangeur de chaleur intermédiaire (20) disposé séparément du tube échangeur de chaleur pour la génération de vapeur dans une partie inférieure de l'intérieur du cylindre intérieur, et un mécanisme à pompe électromagnétique formé d'une bobine d'entraînement électromagnétique (24) située sur une circonférence extérieure de l'enceinte cylindrique et d'un noyau magnétique (26) fixé au cylindre intérieur, le fluide de refroidissement secondaire étant mis en circulation forcée dans l'enceinte afin de s'écouler vers le haut dans la partie du passage d'écoulement à l'intérieur du cylindre intérieur et de s'écouler vers le bas dans la partie du passage d'écoulement à l'extérieur du cylindre intérieur. 3. Générateur de vapeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la partie du passage d'écoulement située entre l'enceinte cylindrique et le cylindre intérieur est divisée en plusieurs parties par plusieurs plaques (18) de cloisonnement disposées radialement, la bobine d'entraînement électromagnétique est miniaturisée et plusieurs desdites bobines d'entraînement électromagnétique miniaturisées sont placées sur la circonférence extérieure de l'enceinte cylindrique. 4. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'au moins une plaque poreuse ou plaque fendue (18) est disposée entre le tube échangeur de chaleur intermédiaire et le tube échangeur de chaleur pour la génération de vapeur, afin que la rupture de l'un de ces tubes échangeurs de chaleur n'ait pas d'effet sur l'autre de ces tubes.