Brevet FR3064809A1 — publié le 20181005

EMBALLAGE DE TRANSPORT ET/OU D'ENTREPOSAGE DE MATIERES RADIOACTIVES A ECHANGES CON VECTIFS AMELIORES DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention se rapporte au domaine de l'évacuation de la chaleur produite par des matières radioactives chargées dans un emballage de transport et/ou d'entreposage de matières radioactives, par exemple des assemblages de combustible nucléaire ou des déchets radioactifs. Plus précisément, la présente invention se rapporte à un emballage comprenant à sa périphérie une structure de dissipation de chaleur par convection naturelle. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE De l'art antérieur, il est connu d'assembler un dispositif externe d'évacuation de chaleur autour d'une surface extérieure d'un corps latéral d'un emballage, dans le but d'évacuer, vers le milieu ambiant, les calories émises par les matières radioactives contenues dans l'emballage. Ce dispositif d'évacuation de chaleur est notamment conçu de manière à limiter la température atteinte en service par les différents éléments constitutifs de l'emballage, notamment les joints et les protections radiologiques, afin d'éviter tout risque de dégradation de ces éléments. Par ailleurs, outre le fait de pouvoir assurer sa fonction principale d'échangeur de calories avec le milieu ambiant, ce dispositif est conçu de façon à être 25 compatible avec les contraintes de services de l'emballage, telles que la décontaminabilité, la tenue dans le temps, la résistance aux agressions atmosphériques, 3064809 2 la résistance aux conditions d'exploitation comme l'immersion lors du chargement et du déchargement, ou encore le confinement de la résine de blindage neutronique. Une solution connue pour ce type de dispositif externe d'évacuation de chaleur se présente sous la forme d'une virole d'habillage enveloppant le corps latéral de 5 l'emballage, et sur laquelle sont soudées des ailettes droites longitudinales de section appropriée. Ces ailettes sont également dites verticales, car elles sont orientées selon la direction verticale lorsque l'emballage repose lui-même verticalement. Cependant, il existe un besoin constant d'optimisation des performances du dispositif externe d'évacuation de chaleur. 10 EXPOSE DE L'INVENTION Pour répondre à ce besoin, l'invention a pour objet un emballage pour le transport et/ou l'entreposage de matières radioactives comprenant un corps latéral équipé extérieurement de plusieurs structures de dissipation de chaleur par convection naturelle, réparties circonférentiellement autour d'un axe longitudinal de l'emballage. 15 Selon l'invention, chaque structure de dissipation de chaleur présente deux demi-structures adjacentes circonférentiellement et comprenant chacune des ailettes primaires parallèles et inclinées par rapport à l'axe longitudinal de l'emballage autour duquel sont agencées les structures de dissipation de chaleur, les ailettes primaires des deux demi-structures formant deux à deux des ailettes en forme générale 20 de V inversé, lorsque l'emballage est agencé verticalement avec son fond orienté vers le bas. L'emballage comprend également une paroi extérieure de canalisation d'air située en regard d'au moins l'une des structures de dissipation de chaleur, extérieurement et à distance radialement de celle-ci de façon à former ensemble un espace longitudinal dans lequel deux tourbillons d'air de refroidissement peuvent circuler par convection vers le haut respectivement le long des deux demi-structures adjacentes de ladite structure de dissipation de chaleur. Enfin, le rapport « R » entre d'une part la distance d'écartement radial « De » entre la paroi extérieure et le sommet des ailettes primaires, et d'autre part la largeur « L)> de chaque demi-structure selon une direction transversale de la structure orthogonale à l'axe longitudinal, est compris entre 0,8 et 1,2. 3064809 3 L'agencement particulier défini ci-dessus permet d'améliorer sensiblement les performances de refroidissement de l'emballage, notamment vis-à-vis des ailettes droites verticales connues de l'art antérieur. En effet, en position verticale de l'emballage, l'air chemine vers le haut 5 dans les canaux primaires définis entre les ailettes primaires. A la sortie de ces deux canaux primaires, les deux flux d'air se rencontrent et génèrent les deux tourbillons précités dans l'espace longitudinal délimité par la paroi extérieure de canalisation d'air. Grâce à la géométrie particulière adoptée, les tourbillons d'air prennent une forme sensiblement circulaire dans l'espace longitudinal. Plus précisément, ces 10 tourbillons adoptent une forme hélicoïdale de section circulaire d'axe longitudinal. Cette forme renforce l'intensité de ces tourbillons et contribue à un brassage d'air particulièrement efficace, ainsi qu'a une diffusion d'air dans tout cet espace longitudinal formé avec la paroi extérieure de canalisation d'air. Il en découle avantageusement une hausse des échanges convectifs qui contribue à la réduction de la 15 température de l'emballage, notamment dans des zones critiques comme sa partie basse lorsqu'il repose en position verticale. L'invention présente par ailleurs au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison. La paroi extérieure entoure entièrement au moins un tronçon 20 longitudinal du corps d'emballage équipé des structures de dissipation de chaleur. Alternativement, la paroi pourrait ne pas être fermée, par exemple en présentant une section transversale en forme de C. Selon une autre alternative, il pourrait être prévu plusieurs parois extérieures espacées circonférentiellement les unes des autres, chacune en regard radialement d'une ou plusieurs structures de dissipation de chaleur. 25 De préférence, la paroi extérieure s'étend de manière à recouvrir, dans la direction de l'axe longitudinal, au moins 50% de ladite structure de dissipation de chaleur. De plus, afin d'améliorer les échanges convectifs dans une partie basse de l'emballage réputée particulièrement chaude, une extrémité basse de la paroi extérieure se trouve de préférence à proximité d'une extrémité basse de ladite structure de dissipation de chaleur. 3064809 4 De préférence, les deux demi-structures adjacentes de chaque structure de dissipation de chaleur sont agencées de façon sensiblement symétrique. De préférence, les ailettes primaires sont droites et inclinées d'une valeur comprise entre 30 et 600 par rapport à l'axe longitudinal orthogonal à ladite 5 direction transversale, et de préférence inclinées d'une valeur de 45° par rapport à ce même axe. De préférence, l'emballage présente au moins l'un des paramètres suivants : - H : la hauteur de chaque demi-structure, dans la direction de la 10 hauteur (8) selon laquelle se succèdent les ailettes primaires inclinées, cette hauteur étant comprise entre 2 et 5 m; - h : la hauteur de chaque ailette primaire dans une direction radiale de l'emballage, comprise entre 10 et 100 mm ; - d : la largeur de chaque canal primaire de circulation d'air défini entre 15 deux ailettes primaires directement consécutives, cette largeur étant comprise entre 10 et 50 mm ; - Ep : l'épaisseur de chaque ailette primaire, répondant à la condition d/Ep 2,5; - L : la largeur de chaque demi-structure selon la direction transversale, 20 cette largeur étant comprise entre 150 et 300 mm. De préférence, les deux demi-structures de chaque structure de dissipation de chaleur sont distinctes l'une de l'autre, chacune présentant une plaque et ses propres ailettes primaires faisant saillie de la plaque. Cela confère une facilité de fabrication et d'assemblage. Alternativement, les deux demi-structures peuvent être 25 réalisées sur une même plaque de hauteur H, éventuellement segmentée dans la direction de la hauteur. De préférence, chaque structure de dissipation de chaleur est sensiblement plane. De préférence, un écartement « Ec' » entre deux structures de 30 dissipation directement adjacentes selon la direction circonférentielle, est sensiblement 3064809 5 égal à un écartement « Ec » entre les deux demi-structures de chaque structure de dissipation. Cet écartement « Ec » répond de préférence à la condition Ec/L 0,2. Alternativement, il n'est pas prévu d'écartement entre les demi-structures, impliquant que les ailettes primaires sont jointives deux à deux. 5 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ; 10 - la figure 1 représente une vue de face d'un emballage pour l'entreposage et/ou le transport de matières radioactives, comportant des structures de dissipation de chaleur selon un mode de réalisation préféré de la présente invention ; - la figure 2 représente une vue partielle en coupe prise le long de la ligne II-II de la figure 1; 15 - la figure 3 est une vue agrandie de face d'une partie de la structure de dissipation de chaleur ; et - la figure 4 est une vue en section prise le long de la ligne IV-IV de la figure 3. EXPOSE DETAILLE DE MODES DE REALISATION PREFERES 20 En référence tout d'abord aux figures 1 et 2, il est représenté un emballage 1 pour l'entreposage et/ou le transport de matières radioactives, comme des assemblages de combustible nucléaire ou des déchets radioactifs (non représentés). Cet emballage 1 est représenté sur la figure 1 en position verticale d'entreposage, dans laquelle son axe longitudinal 2 est orienté verticalement. Il repose 25 sur un fond d'emballage 4, opposé à un couvercle amovible 6 selon la direction de la hauteur 8, parallèle à l'axe longitudinal 2. Entre le fond 4 et le couvercle 6, l'emballage 1 comporte un corps latéral 10 s'étendant autour de l'axe 2, et définissant intérieurement une cavité 12 pour le logement des matières radioactives. 3064809 6 Le corps latéral 10 comprend généralement une virole intérieure 14 et une virole extérieure 16 concentriques, définissant un espace annulaire ou longitudinal 18 centré sur l'axe 2. L'espace 18 est rempli par des moyens de conduction thermique 20 reliant les deux viroles 14, 16, ainsi que par des moyens de protection neutronique 22. 5 Les moyens 20, 22 précités sont de conception classique et ne seront de ce fait pas davantage décrits. La virole extérieure 16 est réalisée à l'aide d'une pluralité de structures 30 de dissipation de chaleur selon l'invention. Ces structures 30 sont réparties circonférentiellement autour de l'axe 2, et s'étendent chacune selon une hauteur H 10 comprise entre 2 et 5 m selon la direction de la hauteur 8. Dans l'exemple montré sur la figure 2, les structures 30 comprennent des bases en forme de plaques rectangulaires, ces plaques comportant chacune deux chants longitudinaux. Ces plaques sont assemblées bout-à-bout par soudage au niveau de leurs chants en regard, de façon à reconstituer la virole externe 16. Egalement, ces plaques pourraient être segmentées selon la direction 15 de la hauteur 8, mais elles sont préférentiellement réalisées d'une seule pièce selon la hauteur H. L'une des particularités de l'invention réside dans la présence d'une paroi extérieure de canalisation d'air 31 ici en forme de virole entourant le corps 10, et située en regard des structures de dissipation de chaleur 30. Cette paroi 31 est 20 préférentiellement raccordée mécaniquement au corps 10, par des moyens conventionnels. Comme cela sera détaillé ci-après, la paroi extérieure 31 est agencée extérieurement et à distance radialement des structures de façon à former ensemble un espace longitudinal 33 dans lequel des tourbillons d'air de refroidissement peuvent circuler vers le haut par convection naturelle. Ainsi, la paroi extérieure 31 entoure 25 entièrement un tronçon longitudinal du corps d'emballage 10, sur au moins 50% de la hauteur H des structures de dissipation 30. Néanmoins, la paroi 31 peut s'étendre verticalement sur une longueur supérieure, par exemple correspondant à 80% ou plus de la hauteur H des structures 30. Dans ce mode de réalisation préféré, comme cela est le mieux visible sur la figure 1, l'extrémité basse de la paroi extérieure 31 se situe à 30 proximité de l'extrémité basse des structures 30. Plus précisément, ces extrémités sont 3064809 7 agencées dans un même plan transversal, ou proches d'un même plan transversal de l'emballage. Comme cela est visible sur la figure 1, l'espace longitudinal 33 est ouvert à ses deux extrémités longitudinales. Il s'agit tout d'abord d'une ouverture longitudinale 5 inférieure 33a définie entre l'extrémité basse des structures 30 et l'extrémité basse de la paroi 31, cette ouverture 33a servant à l'alimentation des canaux et des tourbillons en air frais. Il s'agit également d'une ouverture longitudinale supérieure 33b définie entre l'extrémité des structures 30 et l'extrémité haute de la paroi 31, permettant l'évacuation de l'air chaud sous forme de tourbillons. D'autres configurations peuvent néanmoins être 10 envisagées, comme celle visant à prévoir que l'air frais s'introduit entre la paroi extérieure et les ailettes par des ouïes en partie inférieure de la paroi 31, permettant à l'air frais de rentrer dans l'espace longitudinal 33. En référence à la figure 3, il est représenté deux structures 30 adjacentes selon la direction circonférentielle 32 de l'emballage. Ces deux structures 30 15 sont identiques, et il en est de préférence de même pour toutes les structures 30 constituant la virole externe 16, leur nombre pouvant être compris entre 5 et 40. Chaque structure de dissipation de chaleur 30 comporte deux demi- structures 30a, 30b de conceptions analogues, et étant agencées sensiblement symétriquement par rapport à un plan radial Pr de l'emballage. La demi-structure 30a 20 comprend des ailettes primaires 40a droites et parallèles. Elles sont inclinées par rapport à l'axe 2 parallèle à la direction de la hauteur 8 de l'emballage, correspondant également à la direction de hauteur de la structure 30. En vue dans une direction sensiblement orthogonale au plan de la demi-structure 30a (comme sur la figure 3), l'angle d'inclinaison Aa des ailettes primaires 40a par rapport à l'axe 2 est de préférence de l'ordre de 45°. De 25 façon analogue et sensiblement symétrique, la demi-structure 30b comprend des ailettes primaires 40b droites et parallèles. Elles sont inclinées par rapport à l'axe 2 de l'emballage, d'un angle d'inclinaison Ab de préférence de l'ordre de 45°. Néanmoins, la symétrie peut ne pas être parfaite, par exemple en prévoyant une faible différence dans la valeur des deux angles Aa, Ab, de l'ordre de 10 à 20°. 3064809 8 Les ailettes primaires 40a, 40b des deux demi-structures forment deux à deux des ailettes 44 en forme générale de V inversé, lorsque l'emballage est agencé verticalement avec son fond orienté vers le bas, comme sur les figures 1 et 3. Chaque ailette 44 ainsi formée par l'une des ailettes primaires 40a, et l'ailette primaire 40b en 5 regard, adopte donc une forme de chevron. Comme évoqué précédemment, chaque demi-structure 30a, 30b peut être réalisée d'une seule pièce selon la direction 8, ou bien segmentée selon cette même direction. Dans ce dernier cas illustré sur la figure 1, les segments de demi-structure sont alors agencés dans la continuité les uns des autres, en étant soudés bout-à-bout. 10 De préférence, les deux demi-structures 30a, 30b sont distinctes l'une de l'autre, à savoir qu'elles comprennent chacune une plaque 46 de laquelle font saillie les ailettes primaires associées, comme cela a été représenté pour la demi-structure 30a sur la figure 4. Les deux plaques 46 sont assemblées entre elles par soudage au niveau de leurs chants en regard dans la direction circonférentielle, de façon à reconstituer une 15 structure 30 sensiblement plane. Ainsi, les deux plaques assemblées 46 constituent ensemble la base précitée en forme de plaque rectangulaire, participant à reconstituer la virole extérieure 16. Comme cela est illustré sur la figure 3, les deux demi-structures 30a, 30b sont de conception symétrique. Sur cette même figure 3, il est également représenté les 20 canaux primaires 48a, 48b délimités respectivement par deux ailettes 40a, 40b directement consécutives, selon la direction 8. Sur les figures 3 et 4, il a été identifié des paramètres géométriques spécifiques à l'invention. Il s'agit tout d'abord de la hauteur H de chaque demi-structure 30a, 30b, 25 correspondant à la hauteur H de la structure 30 composé par ces deux demi-structures. Comme indiqué précédemment, la hauteur H est comprise entre 2 et 5 m, et de préférence proche de 4 m. Il s'agit également de la hauteur h de chaque ailette primaire 40a, 40b dans la direction radiale 35, comprise entre 10 et 100 mm, et de préférence identique 3064809 9 pour toutes les ailettes primaires. A titre d'exemple, cette hauteur h peut être de l'ordre de 25 mm. La largeur d de chaque canal primaire de circulation d'air 48a, 48b est comprise entre 10 et 50 mm, et s'avère constante et identique pour tous les canaux 48a, 5 48b, sur toute la hauteur H. Il s'agit aussi de l'épaisseur Ep de chaque ailette primaire 40a, 40b, répondant de préférence à la condition d/Ep 2,5. Cette épaisseur Ep est également de préférence identique pour toutes les ailettes primaires. Enfin, la largeur L de chaque demi-structure 30a, 30b, selon une 10 direction transversale 32 orthogonale aux directions 8, 35, est préférentiellement comprise entre 150 et 300 mm. A titre d'exemple indicatif, cette largeur L est de l'ordre de 215 mm. Cette largeur L, s'étendant selon la direction transversale 32 assimilable à la direction circonférentielle, est de préférence identique pour les deux demi-structures. Par ailleurs, un éventuel écartement Ec peut être prévu entre les 15 extrémités en regard de deux ailettes primaires 40a, 40b, formant conjointement une ailette en forme générale de V inversé 44. Cet écartement, agencé au niveau de la pointe de l'ailette 44, répond par exemple à la condition Ec/L 0,2. Les écartements étant alignés selon la direction 8, ils forment ensemble une sorte de canal vertical 54 de refoulement d'air, au niveau de la jonction entre les deux demi-structures 30a, 30b de la 20 structure 30 de dissipation de chaleur. En outre, il est de préférence prévu un écartement Ec' entre deux structures de dissipation 30 directement adjacentes selon la direction circonférentielle 32. Cet écartement Ec' est par exemple sensiblement égal à l'écartement Ec. Enfin, toujours dans le dimensionnement de l'emballage, il est prévu 25 que la distance d'écartement radial De entre la paroi extérieure 31 et le sommet des ailettes primaires 40a, 40b, selon la direction 35, soit telle que le rapport R entre cette distance De et la largeur L de chaque demi-structure 30a, 30b soit compris entre 0,8 et 1,2. Avec l'agencement proposé, lorsque les demi-structures 30a, 30b sont 30 chauffées par la présence des matières radioactives, il se produit une convection 3064809 10 naturelle conduisant l'air à entrer dans les canaux primaires 48a, 48b, puis à se propager vers le haut au sein de ces canaux, avant de rencontrer l'air provenant des canaux en regard appartenant à l'autre demi-structure. Cet impact en sortie des canaux primaires 48a, 48b, au niveau de la pointe des V inversés, conduit l'air à s'évacuer verticalement 5 vers le haut. Mais simultanément, il se crée des tourbillons d'air de refroidissement au- dessus des ailettes et des canaux primaires 48a, 48b. Plus précisément, pour chaque structure de dissipation de chaleur 30, cela permet de générer deux tourbillons d'air de refroidissement 39 adjacents et contrarotatifs, circulant par convection naturelle vers le haut respectivement le long des deux demi-structures 30a, 30b, dans l'espace 10 longitudinal 33. Grâce au dimensionnement spécifique à l'invention, les deux tourbillons 39 de forme sensiblement circulaire présentent une intensité renforcée qui contribue à un brassage d'air efficace, ainsi qu'à une diffusion d'air dans tout l'espace longitudinal 33. Les échanges convectifs sont accentués, et les points chauds réduits au droit de la paroi extérieure de canalisation d'air 31. 15 Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme du métier à l'invention qui vient d'être décrite, uniquement à titre d'exemples non limitatifs. 20 REVENDICATIONS1. Emballage (1) pour le transport et/ou l'entreposage de matières radioactives comprenant un corps latéral (10) équipé extérieurement de plusieurs structures (30) de dissipation de chaleur par convection naturelle, réparties circonférentiellement autour d'un axe longitudinal (2) de l'emballage, caractérisé en ce que chaque structure de dissipation de chaleur (30) présente deux demi-structures (30a, 30b) adjacentes circonférentiellement et comprenant chacune des ailettes primaires (40a, 40b) parallèles et inclinées par rapport à l'axe longitudinal (2) de l'emballage autour duquel sont agencées les structures de dissipation de chaleur (30), les ailettes primaires (40a, 40b) des deux demi-structures (30a, 30b) formant deux à deux des ailettes (44) en forme générale de V inversé, lorsque l'emballage est agencé verticalement avec son fond (4) orienté vers le bas, en ce que l'emballage comprend également une paroi extérieure de canalisation d'air (31) située en regard d'au moins l'une des structures de dissipation de chaleur (30), extérieurement et à distance radialement de celle-ci de façon à former ensemble un espace longitudinal (33) dans lequel deux tourbillons d'air de refroidissement (39) peuvent circuler par convection vers le haut respectivement le long des deux demi-structures adjacentes (30a, 30b) de ladite structure de dissipation de chaleur (30), et en ce que le rapport « R)> entre d'une part la distance d'écartement radial « De» entre la paroi extérieure (31) et le sommet des ailettes primaires (40a, 40b), et d'autre part la largeur « L)> de chaque demi-structure (30a, 30b) selon une direction transversale (32) de la structure orthogonale à l'axe longitudinal (2), est compris entre 0,8 et 1,2. 2. Emballage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi extérieure (31) entoure entièrement au moins un tronçon longitudinal du corps d'emballage (10). 3. Emballage selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la paroi extérieure (31) s'étend de manière à recouvrir, dans la direction de l'axe 3064809 12 longitudinal (2), au moins 50% de ladite structure de dissipation de chaleur (30), une extrémité basse de la paroi extérieure (31) se trouvant de préférence à proximité d'une extrémité basse de ladite structure de dissipation de chaleur (30). 4. Emballage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé 5 en ce que les deux demi-structures adjacentes (30a, 30b) de chaque structure de dissipation de chaleur (30) sont agencées de façon sensiblement symétrique. 5. Emballage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ailettes primaires (40a, 40b) sont droites et inclinées d'une valeur comprise entre 30 et 60° par rapport à l'axe (2) orthogonal à ladite direction transversale (32), et de 10 préférence inclinées d'une valeur de 45° par rapport à ce même axe. 6. Emballage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce qu'il présente au moins l'un des paramètres suivants : - H : la hauteur de chaque demi-structure (30a, 30b), dans la direction de la hauteur (8) selon laquelle se succèdent les ailettes primaires inclinées (40a, 40b), cette 15 hauteur étant comprise entre 2 et 5 m; - h : la hauteur de chaque ailette primaire (40a, 40b) dans une direction radiale (35) de l'emballage, comprise entre 10 et 100 mm ; - d : la largeur de chaque canal primaire (48a, 48b) de circulation d'air défini entre deux ailettes primaires directement consécutives, cette largeur étant comprise entre 10 20 et 50 mm ; - Ep : l'épaisseur de chaque ailette primaire (40a, 40b), répondant à la condition d/Ep 2,5; - L: la largeur de chaque demi-structure (30a, 30b) selon la direction transversale (32), cette largeur étant comprise entre 150 et 300 mm. 25 7. Emballage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que les deux demi-structures (30a, 30b) de chaque structure de dissipation de 3064809 13 chaleur sont distinctes l'une de l'autre, chacune présentant une plaque (46) et ses propres ailettes primaires faisant saillie de la plaque. 8. Emballage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en en ce que chaque structure de dissipation de chaleur (30) est sensiblement plane. 5 9. Emballage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un écartement « Ec' » entre deux structures de dissipation (30) directement adjacentes selon la direction circonférentielle (32), est sensiblement égal à un écartement « Ec » entre les deux demi-structures (30a, 30b) de chaque structure de dissipation. 10