Brevet FR3009073A1 — publié le 20150130

-4- La présente invention concerne l'association d'un échangeur de chaleur à un réacteur nucléaire refroidi au sodium, pour chauffer un circuit de gaz en un cycle moteur. Après contribution au projet Phénix, l'auteur avait proposé, pour les surgénérateurs à sodium, la cuve à sodium posée à fond froid. Contenue dans une cuve de sûreté en béton refroidi, la cuve primaire, à paroi verticale entourée de gaz et posée sur le béton recouvrant le sol, contenait, sous le sodium circulant, du sodium statique en gradient thermique, associé à des matériaux granulaires et traversé par les supports de l'ensemble nucléaire. Le concept a évolué, selon brevet BF13/00615 du 18/3/2013, vers la cuve primaire représentée par une partie de la Figure 1. Dans un caisson 1 en béton posé sur le sol, à paroi interne cylindrique 2 et fonds / D 3 refroidis à l'ambiante par un circuit, est posée la cuve primaire 4 à paroi cylindrique dont le fond est une dalle compartimentée étanche 5, à environ 400°C (température admise pour la suite), couvrant une couche 6 de matériau isolant, réfractaire, hors sodium, en gradient thermique sur le béton refroidi. Cette dalle 5 repose sur le béton refroidi, par sa paroi en périphérie et par des appuis cylindriques de moindre rayon traversant également la couche isolante. En partie centrale, la dalle 5 constitue le sommier 7, qui porte les 15- éléments combustibles et autour d'eux une cuve interne 8. Dans l'espace annulaire autour de la cuve eme, ta dalle reçoit les pompes 9 qui injectent le sodium à 400°C dans le sommier, pour distribution dans les éléments, à des débits adaptés selon des moyens connus. Pris à 550°C au sommet de la cuve interne par des canalisations 10 en siphon, le sodium parvient aux échangeurs extérieurs 11 où il est refroidi â 400°C, puis repris par des canalisations 12 en siphon vers l'espace annulaire où aspirent les pompes qui Z0 créent la circulation. Les conduits en siphon, simplifiant les connexions et permettant les désamorçages comme il sera exposé, sont dus â M. Pierre Cachera. En cas de panne des pompes, la chaleur résiduelle est extraite par une circulation naturelle, obtenue par inclusion des retours 12 dans des cheminées 13 où circule en convection naturelle de l'alliage Na-K à bas point de fusion, refroidi en partie supérieure par de l'air contrôlé par des vannes automatiques. 2, La sûreté du concept tient au solide maintien des structures par le fond posé vis-à-vis de toutes agressions, aux circulations naturelles n'utilisant pas d'eau, et au fait que si un accident interne attaque le fond, le sodium ne pénètre que très peu dans l'épais matériau 6 isolant et réfractaire. Les cuves non posées, suspendues en périphérie, de plus faible résistance aux agressions, donnent lieu à un risque de fuite de sodium parvenant à un grand espace inférieur, d'où dénoyage du coeur et chute de matériaux 90 fondus (corium). On doit prévoir un ensemble de réception pour ces matériaux, et consentir à une importante dispersion radioactive. Dans l'habituel cycle moteur à eau-vapeur, le sodium primaire radioactif, susceptible de réagir avec u ou l'air, ne doit pas assurer un chauffage direct de l'eau. Un circuit intermédiaire en sodium non actif est utilisé. Pour le projet EFR de 1998, un tel circuit procurait, pour un sodium en sortie de coeur à 545°C, 35- une vapeur à seulement 490°C, 185 bar, donnant un rendement thermique de 0,408. Le projet ici présenté concerne l'adaptation à un tel réacteur d'un cycle de turbine à Joule-Brayton, excluant une réaction sodium-eau. Le gaz choisi est notamment amie Un riàanleli un tel cycle est décrit par le document CEA en Réf.1, qui conserve un circuit actif, estimé ici non nécessaire en l'absence d'eau. 1/0 Selon ce document, pour de l'azote à une pression maximale P, le cycle peut être ainsi constitué : - à P, préchauffage entre 82°C et 330° en échangeur azote-azote, - à P, chauffe de 330° à 515 °C en échangeur sodium-azote, - détente en turbine jusqu'à environ 0,4 P, 354°C, - refroidissement jusqu'à 96°C en échangeur azote-azote - refroidissement jusqu'à 27°C en échangeur azote-eau, - compression de 0,4 P à 0,6 P, 71°C, - refroidissement de 71° à 27°C en échangeur azote-eau, et compression à P, 82°C. 5- Pour les mêmes conditions de refroidissement et d'efficacité mécanique et thermique, le document indique des rendements de 0,389 pour P=180 bars, 0,381 pour 100 bars, 0,373 pour 70 bars. On retient ici le couple de pressions 70 et 28 bars, la température maximale pouvant être accrue en raison de l'absence d'un circuit secondaire de sodium, pour accroître le rendement. La Figure 1 montre l'extension du caisson 1 permettant de placer les échangeurs. Elle donne pour l'azote N2, à titre indicatif, /0 des températures ainsi majorées. Un échangeur peut être du type à tubes contenant le fluide sous pression, ou du type à plaques parallèles, ou alternent deux fluides d'une plaque à l'autre Pour des échanges avec un gaz, moins conducteur que l'eau et surtout le sodium, un important développement des surfaces est nécessaire. Dans les échangeurs à tubes, la distribution des fluides nécessite des ensembles étendus de collecteurs. Les y5--- échangeurs à plaques peuvent être compacts mais doivent supporter des différences de pression importantes, entre plaques et vers l'extérieur, ce qui peut conduire selon Réf.1 à les contenir dans des récipients de pression, les plaques étant séparées par des cales. Pour éviter ces récipients de pression, un échangeur à plaques selon l'invention est constitué d'un ensemble de plaques calées entre elles et contenues entre un cylindre résistant, notamment le caisson ZO contenant un réacteur nucléaire, et un anneau extérieur qui résiste aux forces de pression. Dans l'espace entre cylindre et anneau, les normales aux plaques peuvent être orientées dans le sens radial, les forces de pression s'exerçant directement vers l'anneau, ou dans le sens périphérique, la couronne de plaques dilatée par la pression étant contenue mécaniquement par l'anneau. La Figure 1 concerne cette deuxième option, de réalisation plus simple et qui impose moins d'effort sur l'anneau, mais la 23- première pourrait s'en déduire. Dans le plan des plaques, les forces sont contenues par les plaques elles-mêmes, en particulier les forces de tenue des collecteurs, qui s'appliquent sur des zones latérales à l'empilement de plaques, ouvertes vers une plaque sur deux. La Figure 1 montre donc, solidaire par le fond du mur cylindrique 20 du caisson 1, un anneau 21 prévu en béton précontraint résistant aux efforts radiaux, entourant l'espace annulaire 22 des échangeurs, d'une '3 d extension radiale de l'ordre de 2,5 m. On a figuré, pour l'un des intervalles de l'échangeur, les circulations des fluides chauffants descendants : sodium en partie supérieure, azote à 0,4 P en partie inférieure. Dans les intervalles intermédiaires non figurés, monte l'azote chaud à pression P chauffé par exemple jusqu'à 540°. Les canalisations 10 en siphon aboutissent à des conduits distributeurs de sodium 23 orientés tangentiellement au sommet des échangeurs, tandis que l'azote à pression P est collecté vers la turbine par les conduits 24. Le sodium refroidi à 400° quitte l'échangeur par des conduits 25 inscrits dans le mur 20 et par des canaux 26 inscrits dans l'anneau 21, ces conduits rejoignant les conduits 12. Dans cet intervalle, les deux fluides sont séparés par une fermeture 30 soudée entre les plaques. Les plaques à normales orientées dans le sens périphérique pourraient être contenues dans des plans radiaux, juxtaposées avec des écartements croissant vers l'extérieur et avec des cales de hauteur 40 progressive, mais ceci ne permet pas une fabrication aisée. On prévoit d'assembler en atelier des plaques planes rectangulaires équidistantes, pour former des échangeurs élémentaires parallelepipediques, ensuite alignés entre cylindre et anneau, séparés entre eux par des cales triangulaires, et appuyés par des cales en forme sur le cylindre et l'anneau. On peut disposer par exemple 24 échangeurs élémentaires sur le tour. Dans chaque échangeur, les plaques planes (section partielle en Figure 2) sont calées entre elles par des tôles ondulées dans le sens des parcours, en pièces juxtaposées de diverses orientations pour permettre des parcours vers les collecteurs d'entrée ou de sortie. Ces tôles en acier peuvent être régulièrement perforées. Le pas de l'ondulation doit être tel que les plaques planes entre deux appuis sur ces tôles supportent les différences de pression sans déformations permanentes. Pour une différence de pression P et un pas d'ondulation L, le moment de flexion par longueur unité est PL2/8, tandis que pour l'épaisseur e et la limite élastique a le moment résistant est ae2/6. Pour P=70 bars, pression supposée s'appliquer dans certains cas, et a=1500 bars, il faut L REVENDICATIONSRevendication 1. Echangeur à contre-courants formé de plaques accolées, caractérisé en ce que la résistance aux pressions des fluides est assurée par des cales entre les plaques et par l'appui des plaques extrêmes entre un cylindre résistant et un anneau résistant autour de ce cylindre. Revendication 2. Echangeur selon revendication précédente, caractérisé en ce que les plaques sont rectangulaires et parallèles, formant un parallélépipède. Revendication 3. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cales entre plaques sont constituées par des tôles ondulées, les ondulations étant dans chaque partie orientées selon les parcours choisis pour les courants fluides. Revendication 4. Ensemble d'échangeurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit cylindre résistant est constitué par le caisson en béton contenant un réacteur nucléaire. Revendication 5. Ensemble d'échangeurs selon revendications 1 et 4, caractérisé en ce que ledit anneau est en béton et solidaire par le fond dudit caisson. Revendication 6. Ensemble d'échangeurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est parcouru par un gaz incorporé à un circuit moteur de type Joule-Brayton. Revendication 7. Ensemble selon Revendication 5, caractérisé en ce que dans chaque échangeur un premier étage d'échange est étendu sur une partie de la longueur et chauffe, à partir d'un gaz détendu dans une turbine, un gaz à haute pression fourni par un compresseur, et en ce qu'un second étage chauffe le même gaz à partir d'un circuit primaire chaud, ce gaz étant ensuite détendu dans la turbine. Revendication 8. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit circuit primaire chaud est constitué par le sodium d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, prélevé par des tubes en siphon plongeant dans la cuve chaude du réacteur, et revenant refroidi vers une autre cuve du réacteur, par d'autres tubes en siphon.