Brevet FR2956732A1 — publié le 20110826

Dispositif d'échange thermique, notamment pour une centrale nucléaire L'invention concerne un échange thermique, entre deux circuits distincts de fluides incompatibles, tels que du sodium et de l'eau, via un fluide de couplage intermédiaire, circulant entre ces deux circuits. Elle trouve une application avantageuse préférentiellement en association avec un réacteur de centrale nucléaire. Dans une telle application, un premier circuit (dit « circuit primaire »), récupérant la chaleur d'une partie dite de « coeur » du réacteur, peut acheminer du sodium sous forme liquide et le deuxième circuit (dit « circuit secondaire »), récupérant la chaleur du premier circuit, peut acheminer de l'eau sous forme liquide et/ou gazeuse. Un problème que posent de tels fluides, sodium d'une part, et eau, d'autre part, consiste en ce que leur contact mutuel est hautement réactif. Ainsi, une fuite du premier circuit dans le second fluide amenant à mettre en contact ensemble ces deux fluides est susceptible de créer une explosion dégradant les circuits jusqu'à la ruine complète de l'appareil. Bien entendu, la destruction de l'appareil relié au réacteur nucléaire ne peut être prise en considération. Actuellement, les installations sont conçues pour que l'échange thermique entre le circuit de sodium et le circuit d'eau ait lieu via un circuit intermédiaire dans une enceinte sécurisée et distante du réacteur lui-même. Toutefois, un tel agencement nécessite, du fait de la distance entre le début du circuit de sodium (côté réacteur) et de sa fin (côté circuit d'eau), un effort d'investissement et de maintenance sur l'ensemble des circuits de sodium. Par ailleurs, la multiplication des circuits induit des pertes thermiques et limite le rendement de l'installation. La présente invention vient améliorer la situation. 15 Plus généralement, elle propose une solution pour sécuriser les premier et deuxième circuits d'un échangeur de chaleur par rapport à d'éventuelles fuites, en limitant les conséquences d'une éventuelle fuite sur l'un des deux circuits. Elle propose à cet effet un dispositif échangeur de chaleur, notamment pour une application en liaison avec un réacteur nucléaire, le dispositif comprenant : - un premier circuit de sodium, - un deuxième circuit d'eau, et - un fluide de couplage thermique intermédiaire circulant entre lesdits premier et 10 deuxième circuits. En particulier, le fluide de couplage thermique comporte un alliage métallique liquide de plomb et de bismuth. Un exemple de composition de cet alliage comporte environ 45% de plomb et environ 55% de bismuth. Un tel alliage présente l'avantage d'être moins corrosif et moins réactif au contact de l'eau que d'autres métaux liquides tels que le sodium ou le gallium par exemple, tout en ayant de bonnes propriétés de transfert thermique. 20 Dès lors que le liquide de couplage possède avantageusement les propriétés précitées, la quasi-intégralité des premier et deuxième circuits peut être agencée dans une même enceinte, et baignée par le liquide de couplage thermique. Selon cet agencement, le dispositif au sens de l'invention peut correspondre, pour le premier circuit, au circuit primaire d'une centrale nucléaire, et pour le second circuit, au circuit secondaire en 25 eau. Dans un exemple de réalisation avantageux qui sera décrit en détails ci-après, les premier et deuxième circuits, ainsi que le fluide de couplage thermique, sont ainsi agencés dans une même enceinte. Avantageusement, le dispositif comporte alors des 30 moyens de circulation de l'alliage liquide dans l'enceinte, par exemple à une vitesse de l'ordre d'un à deux mètres par seconde. En effet, il est préférable que la circulation du 5 liquide de couplage thermique ait une vitesse faible, compatible avec la limite raisonnable de corrosion des premier et/ou deuxième circuits à la température de service. Les dimensions de l'enceinte dans ce cas peuvent être de l'ordre de 10 à 15 mètres de haut et environ 4 à 6 mètres de diamètre. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 illustre très schématiquement une enceinte d'un dispositif dans une réalisation de l'invention. 10 Sur la figure 1, une même enceinte 1 renferme le circuit primaire 11 (premier circuit précité) et le circuit secondaire 18 (deuxième circuit précité) d'un échangeur de chaleur au sens de l'invention. Le sodium liquide du premier circuit circule alors dans un faisceau de tubes droits 11, dans l'exemple représenté, depuis le collecteur chaud 13 (en aval de l'entrée de sodium 10) jusqu'au collecteur froid de sodium 12. Par ailleurs, 15 le circuit secondaire en eau 18 comporte des arrivées d'eau 17 et un faisceau de tubes 18 serpentinés et enroulés en plusieurs nappes, pour acheminer l'eau sous forme vapeur jusqu'aux sorties 19. En outre, les éléments de l'enceinte sont baignés dans le métal liquide de couplage 20 thermique 14 au sens de l'invention. Préférentiellement, un circulateur 15 du métal liquide (par exemple une composition eutectique de plomb à 45% et bismuth à 55%) dans le sens des flèches représentées sur la figure 1. On prévoit donc, comme représenté sur la figure 1, une chicane d'acheminement du liquide de couplage traversant d'abord le circuit d'eau 18, dans l'exemple représenté, puis le circuit de 25 sodium 1l, et ce en boucle. On relèvera d'ailleurs sur la figure 1 que les tubes droits 11 du circuit de sodium sont séparés des tubes en serpentins 18 du circuit d'eau par des parois Pl et P2 formant blindage et guidant la circulation du liquide de couplage. La vitesse de circulation pilotée par le circulateur 15 est préférentiellement inférieure ou de l'ordre de 1,5 m/s. Le sens de circulation du liquide de couplage est représenté à 30 titre d'exemple sur la figure 1, mais il est avantageux néanmoins tel que représenté car ce sens correspond à une convection naturelle qui assure alors une partie significative du débit de circulation dans l'enceinte et qui constitue ainsi un élément de sécurité passif. Ainsi, le métal liquide 14 baigne les premier et deuxième circuits 11, 18 de l'enceinte. L'enceinte 1 est comblée en outre par un gaz neutre GN (partie supérieure de la figure 1). On décrit ci-après les raisons du choix d'un couplage thermique par l'alliage Pb-Bi. Un jeu de contraintes s'applique en effet au choix du fluide caloporteur de couplage qui circule dans l'échangeur. Le fluide caloporteur doit en effet être capable de transporter une quantité importante de chaleur avec des volumes réduits (caloporteur), avoir de bonnes caractéristiques d'extraction de la chaleur (calo-vecteur) sans pénaliser sa mise en écoulement (paramètres hydrauliques). Par ailleurs, sa température de fusion doit être proche de celle du sodium. Sa température d'ébullition doit être la plus élevée possible pour limiter les transferts de masses et une augmentation de la pression dans l'enceinte en cas d'anomalie de fonctionnement (choc chaud). Sa corrosion vis-à-vis des métaux des structures et des métaux des faisceaux doit être la plus faible possible aux températures d'utilisation prévues. En revanche, contrairement au sodium du circuit primaire, aucune propriété nucléaire n'est requise (pour ce qui concerne la section efficace de capture, l'activation, etc.), dans la mesure où ce fluide ne passe pas en réacteur. Le fluide caloporteur doit respecter en outre d'autres contraintes relatives à notamment : - des aspects thermiques (extraction de chaleur caractérisée par une bonne conduction thermique, viscosité cinématique préférentiellement faible), - des aspects hydrauliques (limitation des pertes de charge, d'érosion et des vibrations des conduits, selon la masse volumique du caloporteur), - des aspects de réactivité chimique avec l'eau et/ou le sodium. 15 Pour ce dernier aspect, il convient de choisir un caloporteur présentant une grande neutralité vis-à-vis de l'eau, de l'air, mais aussi et surtout vis-à-vis du sodium. Par ailleurs, le caloporteur doit être compatible avec les matériaux utilisés dans les circuits L'intégrité et les propriétés des aciers ne doivent pas être altérées par l'action du fluide. Typiquement, il convient d'éviter les phénomènes de corrosion et/ou de fragilisation des métaux en présence d'une phase métal liquide. L'alliage plomb (45%)-bismuth (55%) est considéré comme un très bon candidat dans 10 l'application visée ici et représente un bon compromis vis-à-vis des caractéristiques visées ci-dessus. Bien entendu, la présente invention ne se limite pas à la forme de réalisation décrite ci-avant à titre d'exemple. Elle s'étend à d'autres variantes. Sur la figure 1, est présenté un mode de réalisation dans lequel le circuit de sodium et le circuit d'eau sont agencés dans une même enceinte. Une telle réalisation n'est pas exclusive mais constitue un exemple d'application en accord avec l'invention. 20 Revendications1. Dispositif échangeur de chaleur, comprenant : - un premier circuit de sodium (11), - un deuxième circuit d'eau (18), et - un fluide de couplage thermique intermédiaire (14) circulant entre lesdits premier et deuxième circuits, caractérisé en ce que le fluide de couplage thermique comporte un alliage métallique liquide de plomb et de bismuth. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alliage comporte environ 45% de plomb et environ 55% de bismuth. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les premier et 15 deuxième circuits, ainsi que le fluide de couplage thermique, sont agencés dans une même enceinte (1). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dispositif comporte des moyens de circulation (15) de l'alliage liquide dans l'enceinte. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la circulation de l'alliage liquide a une vitesse de l'ordre d'un à deux mètres par seconde. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte est comblée en 25 outre de gaz neutre (GN). 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier circuit est en liaison avec un réacteur de centrale nucléaire. 6