Brevet FR2923590A1 — publié le 20090515

ECHANGEUR DE CHALEUR A CIRCUITS DE SODIUM FONDU ET D'EAU ET FLUIDE INTERMEDIAIRE DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un échangeur de chaleur entre un circuit de sodium fondu et un circuit d'eau, au moyen d'un fluide intermédiaire. De tels échangeurs se rencontrent dans les réacteurs nucléaires à neutrons rapides où le sodium fondu sert à retirer la chaleur émise par le coeur du réacteur et à la transmettre aux générateurs de vapeur alimentés par le circuit d'eau. Les fuites à la jonction des deux circuits sont absolument à éviter à cause de la combinaison exothermique et violente du sodium et de l'eau qui s'ajouterait au risque de dispersion de matières irradiées. C'est pourquoi les réacteurs existants comprennent un circuit intermédiaire transmettant la chaleur du circuit primaire de sodium au circuit secondaire d'eau par des dispositifs d'échange de chaleur distincts. C'est toutefois encore du sodium fondu qu'on utilise dans ce circuit intermédiaire. Il est en effet difficile de trouver un fluide possédant un coefficient d'échange de chaleur suffisant, stable dans la gamme de température de 0° à 550°C environ correspondant à l'arrêt et au service du réacteur, dépourvu de combinaison chimique dangereuse avec l'eau comme avec le sodium et inapte à polluer. Enfin, on voudrait détecter des fuites entre le circuit intermédiaire et soit le circuit primaire soit le circuit secondaire sans trop de difficulté. Certains fluides apparemment prometteurs comme des sels fondus, les eutectiques à base de plomb ou des métaux fondus comme le NaK ont dû être abandonnés pour l'une ou l'autre de ces raisons. Les risques de la combinaison entre le sodium et l'eau ne sont ainsi pas évités, et le circuit intermédiaire sert seulement à éviter les contaminations en matières irradiées en éloignant le sodium primaire du circuit secondaire d'eau. Des dispositifs particuliers, comprenant un frettage de deux tubes concentriques pour mieux isoler l'eau du sodium fondu en réduisant le risque d'apparition de fuites, ont de nombreux inconvénients. L'objet de l'invention est de trouver un fluide utilisable pour échanger de la chaleur dans un circuit intermédiaire entre du sodium fondu et de l'eau et qui satisfasse à toutes les conditions indiquées ci-dessus. Pour résumer, l'invention consiste en un échangeur de chaleur, caractérisé en ce qu'il comprend, entre un circuit de sodium fondu et un circuit d'eau, un volume mitoyen entre les circuits qui est empli d'un gaz neutre sous pression, et un détecteur de ladite pression. Des fluides intermédiaires gazeux ne semblent pas avoir été proposés pour cette application, probablement à cause de leur coefficient d'échange de chaleur réduits ; or il peut être suffisant à pression élevée, et l'inertie chimique des gaz neutres est évidemment excellente ; le détecteur de pression permet de signaler les fuites dans le circuit intermédiaire. Si le gaz neutre est de l'hélium, la transmission de chaleur est spécialement bonne grâce à la plus grande conductivité thermique de ce gaz, notamment à haute pression. Si la pression dans le volume mitoyen du circuit intermédiaire est elle-même intermédiaire à une pression dans le circuit de sodium fondu (normalement de quelques bars) et une pression dans le circuit d'eau (par exemple 140 bars), la détection d'une fuite est facilitée puisque l'abaissement de pression dans le volume mitoyen signifie une fuite vers le sodium, et son élévation une fuite de l'eau vers le volume mitoyen. Il est avantageux que le volume mitoyen soit clos et que le gaz y soit statique, la détection de pression étant plus facile et le dispositif étant plus simple sans que l'échange de chaleur soit diminué. Le volume mitoyen peut aussi contenir un liquide avec ciel d'hélium, par exemple un métal qui peut être le mercure, pour améliorer le coefficient d'échange. Un dispositif apprécié pour sa simplicité peut comprendre une batterie de paires de tubes concentriques, le sodium fondu et l'eau coulant hors des tubes externes pour l'un, dans les tubes internes pour l'autre. L'invention sera maintenant décrite en référence à la figure unique, qui en représente une réalisation. Le dispositif comprend, de bas en haut de la figure, un collecteur d'entrée d'eau 1, une première cloison 2, une zone en hélium statique 3, une deuxième cloison 4, une zone d'échange de chaleur 5, une troisième cloison 6, et un collecteur de sortie d'eau 7. Une entrée de sodium 8 est disposée sous la troisième cloison 6, et une sortie de sodium 9 sur la deuxième cloison 4. Le dispositif comprend encore des tubes externes 10, s'étendant de la deuxième cloison 4 à la troisième cloison 6, et des tubes internes 11, concentriques aux précédents, s'étendant entre le collecteur d'entrée d'eau 1 et le collecteur de sortie d'eau 7. Les tubes externes 10 traversent la deuxième cloison 4 seulement, et les tubes internes 11 les trois cloisons 2, 4 et 6. Les tubes internes 11 font communiquer le collecteur d'entrée d'eau 1 au collecteur de sortie d'eau 7, et les intervalles 12 entre les tubes internes 11 et les tubes externes 10 prolongent la zone en hélium statique 3. Les intervalles 12 et la zone en hélium statique 3 composent un volume mitoyen entre le circuit primaire de sodium fondu entre l'entrée 8 et la sortie 9 et autour des tubes externes 10, et le circuit secondaire d'eau entre les collecteurs 1 et 7 et dans les tubes internes 11. Ce volume mitoyen est clos. On peut le réaliser avec une ouverture close par une vanne (non représentées) pour l'emplissage et le vidange en hélium. L'échange de chaleur se fait dans la zone d'échange de chaleur 5, empli de sodium fondu autour des tubes externes 10, à travers les tubes externes 10, les intervalles 12 et les tubes internes 11 dans lesquels l'eau du circuit secondaire coule. Au repos, l'hélium emplissant la zone 3 et les intervalles 12 est à environ 20 bars à 20°C. Il est à 80 bars environ en régime d'exploitation du réacteur après un échauffement à 400°C environ. La conductivité de l'hélium est très bonne pour un gaz : 0,14 W/m.°K à 1 bar et à température ambiante, et même 0,3 W/m.°K à 80 bars et 400°C. De plus, des échanges thermiques se font aussi par convection et rayonnement, ce qui augmente notablement le coefficient d'échange final. L'échange de chaleur est à peu près aussi bon qu'à travers un tube métallique plein et épais. L'utilisation d'un gaz comme fluide intermédiaire d'échange de chaleur se justifie donc parfaitement. Les intervalles 12 peuvent avoir quelques dixièmes de millimètres d'épaisseur tout en autorisant une bonne conduction. Un défaut de coaxialité des tubes internes et externes n'est pas à redouter. Le dispositif est complété par un détecteur de pression 13 disposé à travers la paroi de la zone en hélium statique 3 pour signaler des fuites affectant les tubes externes 10 ou internes 11 d'après le sens de variation de la pression. Dans une réalisation un peu différente de l'invention, le volume mitoyen entre les circuits comprendrait un liquide mélangé au gaz neutre. Ce liquide pourrait être par exemple un métal, comme le mercure qui améliorerait la conduction. Le ciel d'hélium continue à assurer son rôle de détecteur de fuite par évolution de la pression.30 REVENDICATIONS 1) Circuit d'échange de chaleur comprenant un circuit de sodium fondu et un circuit d'eau, caractérisé en ce qu'il comprend un volume mitoyen (3, 12) d'échange de chaleur entre les circuits et empli d'un gaz neutre sous pression, et un détecteur (13) de ladite pression. 2) Circuit d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz neutre est de l'hélium. 3) Circuit d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression est intermédiaire à une pression dans le circuit de sodium fondu et une pression dans le circuit d'eau. 4) Circuit d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le volume mitoyen est clos et le gaz est statique. 5) Circuit d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le volume mitoyen contient aussi un liquide mélangé au gaz. 6) Circuit d'échange de chaleur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le liquide est du mercure. 7) Circuit d'échange de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le volume mitoyen comprend des intervalles (12) entre une batterie de paires de tubes concentriques internes et externes, le sodium fondu et l'eau coulanthors des tubes externes pour l'un, dans les tubes internes pour l'autre.5