Brevet FR2999442A1 — publié le 20140620

La présente invention est relative à une application innovante dans le domaine des enceintes présentant un risque d'explosion notamment d'hydrogène, par exemple les enceintes de centrales nucléaires ou encore de batteries ou de piles à combustible. En particulier, dans les installations nucléaires, et plus précisément dans les enceintes de confinement des réacteurs à eau sous pression, du gaz hydrogène H2 est susceptible d'être produit suite à l'oxydation des métaux qui sont. présents dans le coeur du réacteur. Les métaux ainsi susceptibles d'être oxydés sont : le zirconium des crayons contenant le combustible radioactif ; les métaux présents dans le bain de coriuzn lors d'accidents nucléaires. L'hydrogène produit par oxydation est alors libéré dans l'enceinte de confinement. En général, les boucles de convection des gaz résultant de la condensation de la vapeur dans ladite enceinte entrainent une répartition plus ou moins homogène de l'hydrogène. Cependant en cas d'une forte hétérogénéité dans la répartition du gaz, il est possible que des concentrations élevées en hydrogène se mettent en place localement au niveau certains points de l'enceinte. En particulier, dans le cas d'une fusion accidentelle du combustible nucléaire, une interaction entre le corium et le béton de la cuve conduit à une forte production de gaz combustible, et notamment d'hydrogène. En grande concentration et en présence d'une source de combustion, de type points chauds, une inflammation du gaz est 30 susceptible de se produire. Une explosion d'hydrogène peut occasionner des dégâts au niveau du réacteur et des équipements et, dans le pire des cas, entraîner une perte de confinement et un rejet de matière radioactive dans l'environnement. Aussi, dans l'optique de limiter une accumulation 35 d'hydrogène dansl'enceinte d'une installation nucléaire, différentes stratégies ont été envisagées -2 L'une de ces stratégies consiste permettre une consommation de l'hydrogène au fur et à mesure de son accumulation dans l'enceinte en utilisant un système passif de recombinaison de l'hydrogène avec l'oxygène. Dans cette optique, des dispositifs, consistant en des recombineurs autocatalytiques passifs sont positionnés dans l'enceinte, sur le trajet emprunté par la convection naturelle des gaz. Ces recombineurs auto-atalytiques consistent traditionnellement en des plaques en acier inoxydable et recouvertes d'un matériau catalytique, de type platine et palladium sur alumine, lesdites plaques catalytiques étant disposées parallèlement les unes aux autres dans un bâti métallique. Le mélange de gaz contenu dans l'atmosphère de l'enceinte et comportant, outre l'hydrogène, du dioxygène, de l'azote et de la vapeur d'eau, va circuler au niveau de ces plaques catalytiques, entre celles-ci, et l'hydrogène du mélange va subir une recombinaison en eau, selon la ré-action 2H2 + 02 2H20, au contact du matériau catalytique desdites plaques. L'utilisation de plaques catalytiques, bi que limitant l'accumulation d'hydrogène dans l'enceinte, n'est pas totalement satisfaisante. Le désavantage majeur de cette technique réside dans le 25 fait que /es bâtis contenant les plaques catalytiques sont des structures imposantes qu'il est nécessaire de mettre en place et de maintenir sur le trajet pouvant être emprunté par le mélange des gaz, ce trajet étant calculé selon des données probabilistes en fonction de la convection naturelle des gaz au sein de 30 l'enceinte. Ainsi, une partie de l'hydrogène est susceptible de ne pas être acheminée au niveau de ces plaques pour y être recombinée. De plus, la cinétique de recombinaison de l'hydrogène est particulièrement lente par rapport à la cinétique de production 35 de l'hydrogène par oxydation des métaux dans l'enceinte. Les performances des recombineurs autocatalytiques passifs doivent donc être améliorées pour éviter une accumulation d'hydrogène dans l'enceinte, une telle accumulation pouvant constituer une menace pour l'étanchéité du confinement. C'est ainsi dans le cadre d'une démarche inventive que la 5 demanderesse a imaginé remplacer les bâtis métalliques contenant les plaques catalytiques, utilisés traditionnellement dans l'état de la technique, par un catalyseur métallique permettant une augmentation de la surface d'échange pour augmenter la cinétique de recombinaison de l'hydrogène. 10 Un tel catalyseur métallique est préférentiellement un catalyseur présentant une structure en nid d'abeille. Par extension, on considérera également tout autre arrangement permettant d'augmenter les échanges entre un revêtement catalytique et un gaz contenant del'hydrogène : cela 15 peut également être obtenu par un assemblage de mousses métalliques, de fils métalliques tricotés, ou encore de f euillarda métalliques avec gaufrage générant des turbulences. A cet effet, la présente invention concerne l'utilisation, dans une enceinte à risque d'explosion d'hydrogène H2f d'au 20 moins un catalyseur métallique apte à permettre une recombinaison passive de l'hydrogène en vapeur d'eau, ledit catalyseur étant agencé pour augmenter la surface d'échange entre ce catalyseur et un gaz comportant au moins de l'hydrogène H2 - 25 Le catalyseur métallique est préférentiellement choisi parmi les mousses métalliques, les fils métalliques tricotés, les feuillards métalliques gaufrés OU encore des matériaux développables, ces derniers étant obtenus par extrusion ou étirement ou frittage. 30 De préférence, l'enceinte à risque d'explosion d'hydrogène H2 consiste en une enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, ledit catalyseur métallique consiste en au moins un catalyseur 35 nid d'abeille apte à permettre la recombinaison passive d'hydrogène en vapeur d'eau. -4 De manière avantageuse, le catalyseur nid d'abeille consiste en former les recouvert l'hydrogène Selon au moins un feuillard métallique gaufré enroulé pour cellules du nid d'abeil , ledit feuillard étant d' un matériau cata apte à recombiner en vapeur d'eau. une autre particularité de l'invention, ledit feuillard métallique constituant le catalyseur nid d'abeille présente une épaisseur comprise entre 30 et 200pm, cette épaisseur étant préférentiellement sensiblement de l'ordre de 10 50pm. De manière intéressante, le catalyseur nid d'abeille présente une densité de cellules comprise entre 4 et 140 cellules/cm2, de préférence de l'ordre de 60 cellules/cm2. Avantageusement, au moins un catalyseur nid d'abeille peut 15 être utilisé en association à au moins un catalyseur nid d'abeille annulaire. Dans ce cas de figure, il est intéressant que le catalyseur nid d'abeille et le catalyseur nid d'abeille annulaire soient chacun recouverts d'un matériau catalytique pré-entant une composition différente. 20 La présente invention comporte de nombreux avantages. D'une part, un catalyseur métallique présentant une surface d'échange importante permet une augmentation de la cinétique de recombinaison de l'hydrogène, et, en conséquence, un gain substantiel en matière de sécurité. 25 D'autre part, les catalyseurs nid d'abeille notamment sont des structures autoportantes ; de ce fait, il est possible de fabriquer des catalyseurs de grande dimension susceptible de s'étendre largement, voire de couvrir la totalité de la surface d'une enceinte dans laquelle il est nécessaire de recombiner 30 passivement l'hydrogène pour éviter tout risque d'explosion. En conséquence, quel que soit le trajet du mélange de gaz, l'hydrogène est obligatoirement dirigé dans le catalyseur nid d'abeille pour être recombiné de manière passive en eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention 35 ressortiront de la description détaillée qui va suivre des modes de réalisation non limitatifs de l'invention, en référence aux figures annexées dans lesquelles : la figure lA représente schématiquement un exemple d'utili a on préférentielle des catalyseurs nid d'abeille et la figure 1B illustre un vue de dessus d'un tel catalyseur nid d'abeille ; la figure 2A représente un second exemple d'utilisation des catalyseurs nid d'abeille, mettant en oeuvre au moins un catalyseur nid 10 d'abeille annulaire et la figure 2E illustre une vue de dessus d'un tel catalyseur annulaire ; la figure 3 représente un exemple de feuillard pour l'obtention d'un catalyseur nid d'abeille, ledit feuillard. comprenant une pluralité 15 d'ouvertures permettant une augmentation de la surface d'échange. La présente invention concerne l'utilisation d'au moins un catalyseur métallique présentant une surface d'échange importante agencé pour augmenter la surface d'échange entre 20 ledit catalyseur et un gaz comportant au moins de l'hydrogène 112, de sorte à permettre une recombinai on lus efficace de ce gaz comportant au moins de l'hydrogène. Par exemple, mais non limitativement, le catalyseur peut être recouvert d'un matériau ayant une activité catalytique 25 permettant la transformation de l'hydrogène en vapeur d'eau. En tant que catalyseur, il est notamment p l'utilisation d'assemblages de mousses métalliques, de fils métalliques tricotés, ou encore de feuillards avec gaufrage générant des turbulences. 30 En ce qui concerne les mousses métalliques, celles-ci présentent préférentiellement une structure légère en matériau de type polyuréthane ou matériaux composites, lesdites mousses étant métallisées pour permettre l'apposition d'un revêtement en métaux précieux permettant la recombinaison passive de 35 l'hydrogène. Il est également possible d'utiliser des matériaux dits « développables », ces derniers pouvant être obtenus par des procédés de type extrusion, étirement ou encore frittage, permettant d'obtenir des surfaces importantes, notamment alvéolaires, à partir d'un matériau brut ou préformé. De façon tout particulièrement avantageuse, l'invention concerne l'utilisation de catalyseurs nid d'abeille 1, visibles sur les figures annexées, ces derniers étant par ailleurs déjà connus pour leur utilisation dans la recombinaison de type 10 active des gaz d'échappement, ceux-ci étant poussés au travers d'un catalyseur nid d'abeille. On entend par recombinai on active des gaz une recombinaison dans laquelle les gaz sont forcés d'emprunter un trajet les conduisant au niveau d'un catalyseur permettant la 15 recombinaison. Par exemple, dans le domaine de l'échappement, les gaz sont pulsés au travers dudit catalyseur. Au contraire, une recombinaison passive utilise la convection naturelle des gaz dans une enceinte présentant une taille plus ou moins importante pour entrainer l'hydrogène au niveau du catalyseur. 20 Plus particulièrement, la présente invention concerne l'utilisation d'au moins un catalyseur nid d'abeille 1 dans une enceinte 2 à risque d'explosion d'hydrogène H2f ledit catalyseur étant apte à permettre la recombinaison passive de ce gaz, l'hydrogène, avec notamment du dioxygène 02, pour former de la 25 vapeur d'eau. La réaction qui s'effectue au niveau du catalyseur nid d'abeille est la suivante : 2112 + 02 2H20 L'utilisation de catalyseur nid d'abeille 1 pour permettre une recombinaison passive de l'hydrogène est particulièrement 30 intéressante dans le cadre d'une enceinte 2 de confinement d'un réacteur nucléaire, notamment dans une centrale nucléaire. En effet, comme expliqué ci-de-sus, une grande quantité de gaz hydrogène peut être produite eu niveau de telles enceintes 2, ce qui est susceptible d'entrainer une inflammation de ce gaz, et éventuellement une explosion, lorsque celui-ci est au contact de sources chaudes. Dans le cas d'une enceinte 2 de confinement d'un réacteur nucléaire, l'utilisation du catalyseur nid d'abeille 1 peut être 5 avantageuse de façon continue, c'est-à-dire que ledit catalyseur nid d'abeille 1 est présent durant tout le temps de fonctionnement du réacteur. Cependant, l'utilisation dudit catalyseur nid d'abeille 1 peut également être ponctuelle, par exemple lors d'incidents nécessitant une élimination rapide 10 d'une grande quantité d'hydrogène ou encore lors de travaux de maintenance au niveau de ladite enceinte 2 pour éviter tout risque d'explosion. De plus, le catalyseur nid d'abeille I est capable de résister aux conditions de pression, de température, d'humidité 15 et de radioactivité rencontrées dans une enceinte 2 de confinement d'un réacteur nucléaire, en fonctionnement normal ou dans le cas d'un accident nucléaire. Le catalyseur nid d'abeille 1 peut également être utIlisé dans d'autres types d'enceintes présentant un risque d'explosion 20 hydrogène, par exemple dans les sous-marins nucléaires ou encore dans les batteries ou piles à combustibles mises en place dans les nouveaux moyens de transport ou de production d'énergie fonctionnant à l'hydrogène. De façon particulièrement avantageuse, le catalyseur nid 25 d'abeille 1 utilisé dans la présente invention consiste en au moins un feuillard métallique, notamment en acier inoxydable. Cependant, différentes nuances de matériau métallique sont possibles ; il est notamment possible d'utiliser tout matériau présentant des propriétés mécaniques favorables pour une tenue 30 optimale dans le temps et présentant un caractère aluminoformeur permettant de favoriser l'accrochage du revêtement catalytique sur la surface du catalyseur 1. Le feuillard métallique du catalyseur nid d'abeille 1 est préférentiellement gaufré et enroulé, de sorte à former les 35 cellules du catalyseur nid d'abeille 1. Selon un autre mode de réalisation, le feuillard métallique peut également comporter un profil en chevron dont la profondeur peut varier de O.lnsn à 3mm, de préférence de l'ordre de 1 mm. Avantageusement, ledit feuillard métallique peut également 5 comporter par exemple une pluralité d'ouvertures 9 favorisant les échanges entre le revêtement du feuillard et le gaz, ce dernier s'écoulant radialement au travers desdites ouvertures. Un tel mode de réalisation est représenté sur la figure 3 jointe. 10 Le catalyseur nid d'abeille 1 utilisé dans une enceinte 2 pour la recombinaison passive de l'hydrogène peut également comprendre une pluralité de feuillards métalliques préférentiellement gaufrés et enroulés. Le feuillard utilisé dans l'invention est 15 préférentiellement recouvert intégralement d'une couche d'au moins un matériau stable et adhérent audit feuillard, ledit matériau ayant une activité catalytique permettant la transformation de l'hydrogène en vapeur d'eau. Un tel matériau peut notamment consister en du platine et du palladium sur 20 alumine, ce mode de réalisation n'étant cependant pas limitatif de l'invention. Dans un exemple de réalisation avantageux, le feuillard utilisé pour réaliser le catalyseur nid d'abeille présente une épaisseur comprise préférentiellement entre 30 et 20012m. Plus 25 préférentiellement encore, l'épaisseur du feuillard utilisé dans l'invention est de l'ordre de 50pm. Une telle épaisseur de feuillard est particulièrement intéressante car elle permet un gaufrage aisé dudit feuillard ou la réalisation aisée d'un profil en chevron. 30 Une telle structure de feuillard métallique gaufré et roulé de sorte à forme une structure en nid d'abeille permet, de façon particulièrement avantageuse, d'augmenter les surfaces d'échange disponibles pour une recombinaison passive de l'hydrogène en vapeur d'eau. 35 En conséquence, la quantité d'hydrogène recombinée en vapeur d'eau augmente et les risques d'une inflammation du g due à une accumulation de celui-ci dans l'enceinte 2, diminuent. La sécurité dans ladite enceinte 2 est alors significativement améliorée. L'invention permet également de recombiner l'hydrogène lors 5 des phases de maintenance ou de situations accidentelles en utilisant un dispositif comprenant la structure nid d'abeille 1 et comportant éventuellement une plurali d'ouvertures 9. Avantageusement, il est possible d'ajouter dans l'enceinte 2 au moins un dispositif de pompage auxiliaire avec ajout d'air chaud 10 afin d'optimiser les cinétiques de recombinaison. Selon un exemple de réalisation particulièrement avantageux, le catalyseur nid d'abeille 1 utilisé dans l'invention présente une densité de cellules comprise entre 25 et 900 cellules par pouce carre. Cela correspond à une densité 15 comprise entre 4 et 140 cellules/cm2, 1 pouce carré étant égal à 6,45cm2. De préférence la densité de cellule du catalyseur nid d'abeille 1 est de l'ordre de 400 cellules par pouce carré, ce qui correspond sensiblement à 60 cellules/cm2. Une telle densité permet, de façon avantageuse, un bon 20 compromis entre une contre pression au sein du catalyseur 1 qu'il convient de minimiser et une efficacité de recombinaison passive qu'il est nécessaire, au contraire, de maximiser, en augmentant la surface d'échange disponible. Comme illustré sur la figure lA annexée, il est possible 25 d'utiliser un catalyseur nid d'abeille 1 de grande taille pour couvrir la totalité du diamètre de ladite enceinte 2. En effet, les catalyseurs métalliques nid d'abeille 1 sont autoportants et, à ce titre, ne nécessitent pas de moyens spécifiques pour leur mise en place et leur maintien dans ladite enceinte 2. 30 En effet les catalyseurs métalliques nid d'abeille 1 correspondent à une structure indépendante dont le positionnement peut être ajusté de manière à favoriser les échanges entre les parois desdits catalyseurs revêtues et les flux verticaux d'hydrogène, liés à la faible densité du gaz. 35 Ainsi, la convection naturelle des gaz dans l'enceinte 2, représentée par des flèches à l'intérieure de celle-ci, va -10- permettre un acheminement des gaz vers le catalyseur nid d'abeille 1, au niveau duquel une recombinaison passive de l'hydrogène va se produire. Il est également possible d'utiliser plusieurs catalyseurs 5 nid d'abeille 1, 11, dans une enceinte 2 à risque d'explosion d'hydrogène. Un tel mode de réalisation est illustré sur la figure lA ci-jointe. Dans cet exemple de réalisation, les gaz traversent dans un premier temps un premier catalyseur nid d'abeille 1 puis, par la suite, un second catalyseur nid 10 d'abeille 11, ce dernier pouvant préférentiellement être plus compact et être positionné au niveau d'un profil type cheminée permettant une canalisation de l'ensemble des gaz. Une utilisation combinée d'une pluralité de catalyseurs nid d'abeille 1, 11 permet d'augmenter encore le rendement de 15 recombinaison passive de l'hydrogène en vapeur d'eau. Selon un autre exemple de réalisation, illustré sur les figures 2A et 2B, on utilise un catalyseur nid d'abeille 1 en association avec au moins un second catalyseur nid d'abeille annulaire 3. 20 Un tel dispositif incorporant un catalyseur nid d'abeille 1 avec un catalyseur annulaire 3 est préférentiellement incorporé dans un bâti 4 placé dans une enceinte 2. Plus avantageusement encore, ce bâti 4 comporte un conduit d'entrée 5 de air, symbolisé par la flèche 6, cet air 25 contenant l'hydrogène, l'oxygène et les autres composants de l'atmosphère de l'enceinte 2. L'air est ensuite acheminé au travers du catalyseur nid d'abeille 1 au niveau duquel au moins une partie de l'hydrogène va subir une première recombinaison passive en vapeur d'eau. Après avoir traversé le catalyseur nid 30 d'abeille 1, l'air comportant une fraction résiduelle d'hydrogène est entrainé par convection naturelle et repasse au travers de catalyseurs nid d'abeille 3. L'air est alors évacué par un conduit de sortie 7, symbolisé par la flèche 8, cet air étant quasiment dépourvu d'hydrogène, ce qui permet de minimiser 35 les risques d'explosion dans l'enceinte 2. Dans ce mode de réalisation, il est avantageux d'utiliser un catalyseur nid d'abeille 1 central et un catalyseur annulaires 3 périphérique présentant des caractéristiques différentes. Ainsi, à titre d'exemple, on pourra avantageusement utiliser un catalyseur nid d'abeille annulaire 3 ayant une densité de cellules supérieure à la densité de cellules du catalyseur central 1. Cela permet avantageusement de générer un gradient de pression de manière à augmenter l'homogénéité 10 d'arrosage de la section d'entrée du catalyseur 3. On pourra également avantageusement ajuster la composition des revêtements catalytiques des catalyseurs 1 En particulier, l'utilisation d'un catalyseur central 1 et d'au moins un catalyseur annulaire 3 présentant des compositions 15 différentes en termes do matériau catalytique, par exemple en platine et/ou en palladium, est particulièrement avantageuse pour améliorer les propriétés de rendement dudit dispositif. On pourra également ajuster la composition du revêtement en modulant notamment les quantités et les caractéristiques 20 physico-chimiques, celles-ci permettant d'augmenter les performances de recombinaison du système. De façon particulièrement avantageuse, l'utilisation d'un catalyseur nid d'abeille 1 et d'un catalyseur nid d'abeille annulaire 3 peut être combinée à un moyen de chauffage, ce 25 dernier étant préférentiellement intégré au bâti 4 comportant lesdits catalyseurs 1 et 3. La présence d'un tel moyen de chauffage permettra encore une optimisation de l'efficacité du catalyseur nid d'abeille 1 et du catalyseur annulaire 3 utilisés dans une enceinte 2 30 présentant un risque d'explosion d'hydrogène. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et décrits précédemment qui. peuvent pré-enter des variantes et modifications sans pour autant sortir du cadre de l'invention. 35 REVENDICATIONS1. Utilisation, dans une enceinte (2) à risque d'explosion d'hydrogène H2, d'au moins un catalyseur métallique apte à permettre une recombinaison passive de l'hydrogène en vapeur d'eau, ledit catalyseur étant choisi parmi les mousses métalliques, les fils métalliques tricotés, les feuillards métalliques gaufrés ou encore des matériaux développables, ces derniers étant obtenus par extrusion ou étirement ou frittage, ledit catalyseur présentant une surface d'échange importante permettant une recombinaison efficace de l'hydrogène H2. 2. Utilisation d'au moins un catalyseur métallique selon la revendication 1 dans une enceinte de confinement d'un réacteur nucléaire. 3. Utilisation d'au moins un catalyseur métallique selon l'une des revendications 1 ou 2, ledit catalyseur consistant en un catalyseur nid d'abeille (1) apte à permettre une recombinaison passive d'hydrogène en vapeur d'eau. 4. Utilisation d'au moins un catalyseur nid d'abeille (1) selon la revendication 3, ledit catalyseur nid d'abeille (1) consistant en au moins un feuillard métallique gaufré enroulé pour former les cellules du nid d'abeille, ledit feuillard étant recouvert d'un matériau catalytique apte à recombiner l'hydrogène en vapeur d'eau. 5. Utilisation d'au moins un catalyseur nid d'abeille (1) selon la revendication 4, ledit feuillard métallique présentant une épaisseur comprise entre 30 et 200pm, de préférence de l'ordre de 50pm.35- 13 - 6. Utilisation d'au moins un catalyseur nid d'abeille (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, ledit catalyseur nid d'abeille (1) présentant une densité de cellules comprise entre 4 et 140 cellules/cm', de préférence de l'ordre de 60 cellules/cm'. 7. Utilisation d'au moins un catalyseur nid d'abeille (1) selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, ledit catalyseur nid d'abeille (1) étant associé à au moins un catalyseur nid d'abeille (3) annulaire. 8. Utilisation d'au moins un catalyseur nid d'abeille (1) et d'au moins un catalyseur nid d'abeille annulaire (3) selon la revendication 7 caractérisé en ce que le catalyseur nid d'abeille (1) et le catalyseur nid d'abeille annulaire (3) sont chacun recouvert d'un matériau catalytique présentant une composition différente.