Cette invention est relative aux dispositifs de transfert
de chaleur et elle concerne particulièrement ces dispositifs destinés à être utilisés dans des réacteurs thermiques, par exe.iple des
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noyau ou corps comportant une ou plusieurs matières servant de
modérateur, le noyau ou corps étant percé de plusieurs canaux ou
passages contenant ou destinés à contenir les éléments combustibles.
Dans des réacteurs de ce type, il est courant que les
canaux ou passages s'étendent d'une face du noyau du réacteur
jusqu'à la face opposée et que l'agent de refroidissement, par
exemple un gaz, soit introduit via une chambre raccordée aux extrémités de tous les canaux sur une face du noyau du réacteur et qu'il
soit recueilli dans une chanbre analogue sur la face opposée, le gaz chauffé étant ensuite conduit dans un échangeur de chaleur ou déchargé dans l'atmosphère. Une pompe ou une soufflante est nécessaire
pour fournir la différence de pression nécessaire pour faire circu-ler le gaz dans les canaux de refroidissement avec un débit suffisant pour assurer un refroidissement adéquat des éléments combustibles et lorsque le réacteur est utilisé pour produire de la vapeur, la pompe doit chasser suffisamment de gaz dans les canaux pour transférer la chaleur des éléments combustibles à l'échangeur de chaleur dans la mesure requise.
En pratique, on a trouvé qu'avec les grandeurs des canaux de refroidissement et des éléments combustibles qu'il est possible de constituer dans les réacteurs thermiques en tenant compte des considérations nucléaires, la résistance à la circulation du gaz est considérable et la puissance requise de la pompe ou de la souf- flante peut atteindre' une valeur équivalant à 15 à 20% du total
de la chaleur transférée des éléments combustibles aux échangeurs de chaleur. En outre, si la pompe ou la soufflante travaille sur le gaz froid entrant dans les canaux de refroidissement plutôt que <EMI ID=2.1> pour entraîner la pompe ou la soufflante réchauffe le gaz de refroidissement et il est plus difficile pour le gaz d'évacuer la chaleur des éléments combustibles; le rendement du refroidissement est réduit.
Une autre considération qui doit entrer en ligne de compte est que la quantité d'énergie produite par un réacteur thermique
est habituellement limitée par la température de travail maximum
des éléments combustibles. Il est par conséquent important d'employer un procédé de refroidissement qui permette de transférer la quantité maximum de chaleur de l'élément combustible à la température de travail maximum envisagée.-
Pour les raisons ci-dessus, un système de refroidissement efficace au gaz doit évacuer la quantité maximum de chaleur des éléments combustibles à une température de travail donnée de l'élé-
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ment combustible en utilisant le minimum d'énergie dans la soufflante du gaz. On a trouvé que l'énergie nécessaire pour la soufflante du
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ries éléments combustibles lorsque la valeur de cette dernière est augmentée et devient bientôt un facteur limitatif si on utilise des pressions de gaz peu supérieures à la pression atmosphérique.
Un procédé connu pour augmenter le taux de transfert
de la chaleur des éléments combustibles consiste à employer un gaz
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dissement en augmentant ainsi la chaleur spécifique par unité .de volume du gaz et en réduisant les vitesses du gaz et le frottement nécessaires pour obtenir la quantité requise de chaleur transférée. par élément combustible. Il devient alors nécessaire toutefois d'entourer le noyau du réacteur thermique d'une cuve sous pression suffisamment résistante pour supporter la pression de travail de l'agent de refroidissement gazeux et ayant approximativement 12 mètres de diamètre. Des récipients sous pression de cette grandeur et ayant cette résistance sont difficiles et très coûteux à. fabriquer et il est peu probable que la pression de travail du gaz de refroidissement puisse être augmentée jusqu'à une valeur beaucoup
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sous pression ne deviennent prohibitifs.
Un autre procédé d'amélioration du transfert de chaleur des éléments combustibles consiste à les entourer ou à les munir d'une surface étendue comme par exemple des ailettes radiales ou longitudinales d'une manière analogue à celle utilisée dans de nombreux dispositifs de transfert de chaleur dans lesquels les taux
de transfert doivent être accrus. Il y a toutefois une limite à l'extension des ailettes pouvant être utilisées, pour les trois raisons suivantes. La première est que les ailettes réduisent le passage des gaz dans les canaux de refroidissement et on atteint
une largeur d'ailettes au dessus de laquelle un accroissement des ailettes diminue le refroidissement. La seconde est que pour que
les ailettes favorisent le transfert de la chaleur, une grande partie de la chaleur doit être conduite radialement le-long des ailettes
et cela signifie de plus forts gradients de température entre le pied et le bout pour des ailettes de dimensions et en matières qui restent pratiques pour d'autres raisons. Par conséauent, la température aux bouts d'ailettes fort allongées devient si basse-en comparaison de la température de l'élément combustible que le rendement de l'ailette devient relativement faible. La troisième raison est que à moins que les ailettes soient faites en une matière ayant un coefficient d'absorption des neutrons extrêmement faible ou bien soient faites de la même matière que l'élément combustible luimême, la quantité de matière des ailettes dans un réacteur réduit le rendement nucléaire du réacteur.
Il est par conséquent nécessaire de maintenir la masse de la matière des ailettes dans un réacteur à la plus faible valeur compatible avec le refroidissement efficace des éléments combustibles.
La matière constituant les éléments combustibles dans un réacteur est habituellement une matière qui est attaquée à un
degré appréciable par le gaz de refroidissement et elle doit être protégée par une gaine ou une enveloppe du contact direct avec le gaz de refroidissement; il est donc courant que les ailettes de refroidissement fassent partie de cette enveloppe ou gaine. Il est
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points de vue, c'est-à-dire qui ont une bonne conductibilité thermique, un faible coefficient d'absorption des neutrons et qui ne réagissent pas du tout avec le -gaz de refroidissement ou la matière constituant l'élément combustible. De plus, il est avantageux que la dilatation thermique de la matière de la gaine corresponde à celle de l'élément combustible.
Les problèmes majeurs posés par le refroidissement des réacteurs thermiques sont donc les suivants :
1. L'existence des canaux de refroidissement dans le noyau modérateur du réacteur qui soient suffisamment grands pour ne pas restreindre excessivement la circulation du gaz de refroidissement et qui soient cependant suffisamment petits pour ne pas affecter les caractéristiques nucléaires du réacteur à un point tel qu'il devient inefficient et coûteux.
2. Le placement des éléments combustibles dans des enve-
<EMI ID=8.1> bière constituant l'élément combustible qui ne soient pas attaquées par le gaz de refroidissement, qui supportent les températures
de travail requises et les taux de transfert de chaleur et qui n'absorbent pas un nombre excessif d.e neutrons.
3. Un système de refroidissement par gaz dans lequel l'énergie absorbée par la soufflante du gaz ne soit qu'une petite
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des éléments combustibles mais pour lequel le coût et le poids du récipient sous pression entourant le noyau du réacteur ne soient pas excessifs. A ce point de vue, on peut mentionner ici, que certains gaz de refroidissement sont meilleurs que d'autres pour
le transfert de la chaleur, :�ais un gaz doit aussi être choisi
avec des caractéristiques d'absorption des neutrons faibles, qui soit stable dans un flux de neutrons, qui ne réagisse pas de manière excessive avec la matière de la gaine ou du modérateur et qui ne devienne pas trop radioactif sans devoir utiliser un gainage excessif.
Un but de la présente invention est de fournir un dispositif pour le refroidissement ou le transfert de la chaleur pour
un réacteur thermique qui soit un perfectionnement des procédés de refroidissement connus et permette un plus grand transfert de chaleur des éléments combustibles à. une température donnée des éléments
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de la chaleur transférée et une valeur donnée de la pression du gaz de refroidissement.
Avec ce but en vue, suivant un des aspects de la présente invention, dans une disposition pour le transfert de la chaleur dans un. réacteur thermique du type comprenant un noyau ou corps comportant une ou des matières ou formé par une ou des matières servant de modérateur, le noyau ou corps étant traversé par plusieurs canaux ou passages contenant ou destinés à contenir les éléments combustibles, les dimensions relatives d'un canal ou passage et d'un
<EMI ID=11.1> moins sur la majeure partie de la longueur du canal ou passage il y a un espace ou un conduit pour le passage de l'agent de refroidissement de chaque côté du ou des éléments combustibles et cet agent de refroidissement est destiné à circuler d'un côté à l'autre du ou des éléments transversalement à la longueur du ou des éléments, un espace ou conduit étant ménagé pour servir d'entrée à l'agent de refroidissement, l'autre comme sortie et la circulation générale de l'agent de refroidissement étant destinée à se faire dans le canal ou passage.
Suivant une autre caractéristique de la présente inven-
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thermique du type spécifié, un élément combustible à l'intérieur d'un canal ou passage ou une gaine ou enveloppe de protection de l'élément combustible est conformé de manière à permettre la circulation de l'agent de refroidissement dans le canal ou passage associé transversalement à la longueur générale de l'élément combustible dans le canal ou passage, un dispositif étant prévu pour amener l'agent de refroidissement d'un côté de l'élément combustible et
le soutirer de l'autre côté et la circulation générale de l'agent
de refroidissement se faisant dans le canal ou passage.
Suivant une autre particularité de la présente invention, dans un dispositif de transfert de la chaleur dans un réacteur thermique du type spécifié, un élément combustible à l'intérieur d'un
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"-'liment combustible est conformé de manière à permettre la circulation de l'agent de refroidissement dans le canal ou passage associé transversalement à la longueur générale de l'élément combustible dans le canal ou pacage, un dispositif étant prévu pour amener l'agent de refroidissement d'un. côté de l'élément combustible et pour le soutirer de l'autre côté et la circulation générale de l'a- gent de refroidissement étant destinée à se faire dans le canal ou passage.
Un élément combustible ou la gaine ou enveloppe de protection de Isolément combustible peut comporter plusieurs ailettes de refroidissement placées transversalement par rapport à la longueur générale de l'élément. L'élément peut donc avoir la forme d'une barre et être pourvu d'ailettes radiales.
En variante, un élément combustible peut être formé de plusieurs plaques ou lattes placées transversalement à la longueur générale de l'élément.
Afin de faire comprendre clairement l'invention, on décrira ci-dessous à. titre d'exemple plusieurs dispositifs de transfert de chaleur dans les réacteurs thermiques conformes à la présente invention, avec référence aux onze figures des dessins schématiques annexés. Pour la simplicité, les pièces identiques sur les différentes figures portent les mêmes chiffres de référence.
La figure 1 montre schématiquement un élément combustible 1 (ce peut être un jeu d'éléments placés en ligne) disposé dans un
canal 2 traversant un noyau 3 de matière servant de modérateur
au réacteur. L'élément 1 a la forme d'une barre et il peut être enfermé de manière appropriée dans une gaine de protection en n' importe quelle matière appropriée et l'élément ou la gaine est pourvu d'ailettes radiales 4. La figure 2 montre aussi une coupe transversale à plus grande échelle de l'élément combustible dans son canal
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centrale du canal 2, un intervalle approprié étant laissé pour permettre l'enlèvement de l'élément combustible et permettre la déformation du noyau du réacteur et des éléments combustibles. De chaoue côté de l'élément combustible 1, on a prévu un espace ou conduit 5 ou 6. Le gaz de refroidissement est amené du côté gauche de la figure 1 dans l'espace 5, il passe sur l'élément combustible
1 et ses ailettes 4 transversales à la longueur générale de l'élément 1 et il pénètre dans l'espace 6 d'où il est déchargé du côté droit de la figure 1. Comme on peut le remarquer, le canal de refroidissement 2 est en fait divisé en deux parties, avec l'élément combus-bible 1 porteur d'ailettes entre les parties, de sorte que.le gaz de refroidissement passe entre les ailettes 4 et sur l'élément 1 d'une partie du canal à l'autre.
Ce dispositif de refroidissement est avantageux parce que chaque partie de l'élément combustible 1 dans le canal 2
est refroidie par le gaz qui n'a pas encore été utilisé pour effectuer un refroidissement appréciable d'une autre partie de l'élément
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On peut donc refroidir des parties d'élément combustible plus fortement chargées dans la région centrale à flux neutronique élevé du noyau central du réacteur par un gaz de refroidissement dont la température n'a pas 'encore été sensiblement élevée par d'autres par-
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flux total soit le même et que la température à l'entrée du gaz
de refroidissement soit la même, on peut ainsi obtenir un taux de transfert de chaleur à partir du centre plus élevé Que celui obtenu par les procédés connus de passage direct utilisant des ailettes radiales qui offrent l'inconvénient qu'il est difficile d'assurer une circulation adéquate du gaz entre les ailettes de refroidissement. Dans la disposition représentée sur les figures 1 et 2, le gaz passe sur les bords des ailettes 4 comme dans le procédé connu, mais aussi entre les ailettes, procurant ainsi un refroidissement supplémentaire considérable.
Dans les procédés antérieurs de refroidissement, la plus grande partie de la chaleur transférée provient des parties des ailettes éloignées de l'élément combustible puisque c'est uniquement dans cette région que le gaz de refroidissement a un accès facile aux ailettes. Il est par conséquent nécessaire que les bouts des aillettes travaillent à une température sensiblement inférieure à celle de l'élément combustible pour obtenir un gradient de température qui amené la chaleur aux bouts des ailettes. Dans la disposition représentée sur les figures 1 et 2 et aussi dans les dispositions qui seront décrites ci-après, une proportion beaucoup
<EMI ID=17.1> ailettes 4 voisine de l'élément combustible (puisque le gaz de refroidissement a une circulation mieux répartie qui peut être turbulente entre les ailettes) et les éléments combustibles peuvent travailler à une température plus basse tout en gardant la même température au bout des ailettes. En variante, le taux de transfert de chaleur d'un élément combustible peut être accru avec la même température de l'élément combustible.
Dans le procédé de refroidissement connu, un degré élevé de turbulence doit être créé dans le courant refroidissant du gaz pour extraire les gaz chauds des régions voisines des ailettes et pour les remplacer par du gaz plus froid venant d'autres parties du courant gazeux qui n'ont pas encore été en contact avec les ailettes. Cette turbulence augmente les forces de frottement du gaz traversant
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nécessaire pour faire circuler le débit de gaz requis. Dans la disposition représentée sur les figures 1 et 2, un tel degré de turbulence n'est pas requis comme dans le procédé par circulation directe, puisque tout le gaz passe entre les ailettes.
La densité du flux neutronique dans le noyau d'un réacteur thermique est habituellement le plus élevée dans la région centrale du. noyau. Ceci est vrai aussi bien suivant la longueur du noyau dans le sens des canaux de refroidissement que perpendiculairement à cette longueur' On peut obtenir une compensation pour cette dernière variation de la densité du flux en faisant passer moins de gaz de refroidissement dans les canaux se trouvant à une certaine distance de l'axe central dans lesquels les éléments combustibles produisent moins de chaleur parce qu'ils se trouvent dans une région de flux neutronique plus faible. Dans la direction des cana.ux utilisant le procédé connu de refroidissement, la même quantité
de gaz de refroidissement refroidit toutefois tous les éléments combustibles dans un canal et les éléments combustibles dans les régions à flux neutronique plus faible au début et à la fin des canaux ont un passage transversal de gaz plus grand qu'iln'est nécessaire pour un rendement optimum.
Dans la disposition représentée sur les figures 1 et 2, il est possible par divers moyens connus, de réduire les parties des canaux ou espaces d'entrée et de sortie dans les régions marquées
C et D de sorte qu'il y a une plus grande circulation de gaz entre les ailettes de refroidissement dans les régions à flux neutronique
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résultat de réduire la puissance absorbée par la soufflante du gaz. En outre, puisque le transfert de chaleur est moindre dans les régions A D, C F, on peut s'arranger pour réduire la circulation
du gaz à une valeur qui maintient la température de l'élément combustible aussi élevée que dans la région B E à flux neutronique élevé ce qui signifie une température plus élevée des gaz à la sortie que de la région B E puisqu'il suffit d'une plus petite différence de température entre le gaz et les ailettes pour le taux de transfert de chaleur réduit. Ce gaz à température plus élevée des régions A D, C F se mélange au gaz plus froid de la région B E à transfert de chaleur élevé ce qui a pour résultat une température générale plus élevée du gaz à la sortie sans augmenter la température de l'élément combustible au-dessus de sa valeur maximum de travail en aucun endroit. Cette température plus élevée du gaz à la sortie est un avantage lorsque le réacteur thermique est utilisé pour produire
de la vapeur.
Puisque la circulation du gaz le long du canal ou espace d'entrée 5 diminue depuis un maximum de tout le gaz de refroidissement à l'extrémité d'entrée jusqu'à être tout à fait nulle à
l'autre extrémité, il est avantageux de diminuer la section transversale du canal d'admission sur sa longueur jusqu'à une valeur qui maintient approximativement la même vitesse du gaz dans'toutes
les parties du canal. De même, la section transversale du canal de sortie doit être portée au maximum à l'orifice. Une pareille disposition est représentée sur la figure 3 qui correspond aux figures 1 et 2 et qui montre que l'axe du canal 2 fait alors un angle avec
.
l'axe de l'élément combustible 1.
La disposition représentée sur la figure 3 peut aussi être réalisée de manière obtenir différents courants gazeux entre les ailettes de refroidissement suivant la longueur de l'élément combustible, comme c'est décrit ci-dessus.
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2 et 3 et on peut adopter d'autres formes de construction qui produisent le même- effet. Une variante de la construction est repré-
<EMI ID=21.1> figure 2 et qui montre que l'élément combustible 1 pourvu d'ailettes <EMI ID=22.1>
des aillies 9 et 10, respectivement, sur des épaulements 11 et 12 sur la paroi du canal 2 et qui isolent le canal ou espace d'entrée 5 du canal ou espace de sortie 6.
Une autre forme de construction du dispositif de transfert de chaleur ou de refroidissement conforme à la présente invention est représentée sur les figures 5,6 et 7 des dessins annexes et ces figures sont, respectivement, une vue en perspective plus ou moins schématique vers le bas d'un canal dans un noyau de réacteur, une vue en perspective d'un élément combustible en forme de biscuit ou de latte et une vue en perspective de plusieurs de ces biscuits ou lattes montés dans un cadre.
Les figures 5, 6 et 7 montrent que les éléments combus tibles de cette disposition sont constitués chacun par un certain nombre de biscuits ou lattes 13 en matière constituant l'élément
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matière servant de modérateur, par exemple le graphite, le cadre 14 des éléments combustible reposant sur les épaulements 11 et 12
sur les parois du canal dans le noyau du réacteur. Chaque biscuit ou latto séparé 13 peut être en uranium et être recouvert d'une gaine de <EMI ID=24.1>
le zirconium ou leurs alliages, cette matière étant appropriée au point de vue absorption des neutrons, résistance et compatibilité avec la matière constituant l'élément combustible et 1* agent de refroidissement. La gaine peut être posée de n'importe quelle ma-
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l'agent réfrigérant 'puisse circuler entre eux" Les biscuit,- ou lattes
.
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et le fond des fentes peut être fermé de manière que les biscuits ou lattes 13 reposent sur ces fonds fermés.
Les cadres 14 portent les biscuits ou lattes 13 sont glissés le long du canal dans le noyau 3 du réacteur en matière servant de modérateur et ils se trouvent, serrés les uns contre les autres, entre les espaces ou canaux d'entrée 5 et de sortie 6 pour le gaz de refroidissement qui peut passer entre les biscuits ou lattes 13 avec un débit qui maintient la température de la matière de l'élément combustible à la. température de travail requise.
Les avantages de l'usage des éléments combustibles de la forme représentée sur les figures 5, 6 et 7 sont :
1. Il n'y a qu'une faible chute de température dans la matière de l'élément combustible par suite de la faible distance
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2. Il n'y a qu'une faible chute de température entre la. gaine protectrice et la matière de Isolément combustible elle-même par ce que l'élément combustible du type biscuit offre une surface de transfert de la chaleur beaucoup plus grande par unité de volume de la matière de l'élément combustible que dans l'élément combustible du type cylindrique.
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atteignant antérieurement des valeurs aussi élevées que 100[deg.]C pour les charges les plus élevées d'élément combustible.
4. Il résulte des trois raisons ci-dessus qu'il est
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travail maximum avec un gaz dont la. température à la sortie est beaucoup plus élevée (par exemple 100[deg.]) qu'il n'est possible avec le procédé ancien pour le même transfert total de chaleur ou,
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des éléments combustibles en conservant la même température du gaz
à la sortie ou une combinaison intermédiaire de ces deux effets.
Le rendement d'un réacteur thermique comme producteur d'énergie utile est accru de manière appréciable en augmentant le transfert total de chaleur par élément combustible pour une température donnée de l'élément combustible et en élevant la température du gaz à la sortie.
Bien qu'on ait donné comme exemple un biscuit ou latte de
50 mm de long, 25 irai de large et 2,5 mm d'épaisseur, il est clair que ces dimensions ne sont pas nécessairement optima. De plus, l'écartement des biscuits ou lattes donné dans l'exemple n'est pas nécessairement l'écartement optimum et il est probable que les d imensions et l'écartement optima pour une matière particulière d'élément combustible peuvent être mieux trouvés par l'expérience que par des calculs théoriques.
Dans le dispositif de transfert de chaleur ou de refroidissement décrit ci-dessus avec référence aux figures 5, 6 et 7, les biscuits ou lattes 13 sont montés perpendiculairement à des cadres ou dans des cadres perpendiculaires à la longueur du cadre de support
14 mais il est clair qu'ils peuvent être disposés d'autres façons peut-être mieux appropriées. Donc, afin d'éviter les brusques changements de direction du courant gazeux, les biscuits ou lattes peuvent être chacun inclinés d'un certain angle sur la perpendicu- <EMI ID=32.1>
refroidissement efficace des biscuits ou lattes. Une telle construction est représentée schématiquement sur la figure 8 qui montre une coupe dans une partie d'un cadre 14 avec des biscuits ou lattes
13. En outre, au lieu que les biscuits ou lattes soient posés
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efficace-
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séparés physiquement pour laisser entre eux un espace pour le gaz de refroidissement, ils peuvent en fait être constitués par une bande plate continue pliée de manière appropriée en sections para!lèles l'une à l'autre comme le montrent les figures 5 et 7 ou
comme c'est décrit ci-dessus. L'espace entre les sections parallèles doit être uniforme et il faut prendre soin d'être sûr d'avoir un
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de l'élément combustible pliée en zigzag peut donc être supportée de manière appropriée à l'intérieur d'un cadre rectangulaire ouvert en graphite avec toutes les parties de la bande écartées de la paroi interne du cadre de sorte que le gaz de refroidissement puisse circuler, en substance sur toute la surface extérieure de la bande . et une construction de ce genre est représentée sur la figure 11 qui est une vue en plan du dessus d'un' cadre et de la bande en matière <EMI ID=36.1> Pour des raisons nucléaires, il est important de conserver la quantité totale de matière servant de modérateur enlevée du noyau du réacteur pour ménager les canaux de refroidissement,
à une valeur qui maintient le rapport correct de la matière servant de modérateur à la matière de l'élément combustible et tous les dispositifs décrits ci-dessus peuvent être construits en respectant ce principe-
La circulation parallèle du. gaz des dispositifs de refroidissement à circulation transversale conformément à la présente invention est susceptible de permettre de grandes circulations
de gaz avec des chutes de pression réduites en comparaison avec
le refroidissement en série du procédé connu. Ceci à son tour signifie des circulations de gaz plus grandes et des élévations de température moindres dans des conditions comparables de transfert de chaleur par unité d'éléments combustibles. Cela signifie que le gaz pénétrant dans le noyau du réacteur est susceptible d'avoir une température plus voisine de celle du gaz quittant le noyau dans
des conditions comparables. Il est avantageux, pour une température donnée à la sortie d'avoir le minimum de différence de température compatible avec les valeurs pratiques de circulation de l'agent de transfert de chaleur entre les courants à l'entrée et à la sortie de l'agent de transfert de chaleur qui est utilisé pour produire de la vapeur dans un échangeur de chaleur puisque la pression maximum de vapeur est liée à la température la plus basse dans la section de l'échangeur de chaleur utilisée pour faire bouillir l'eau.
Ce lien entre la pression maximum de vapeur et la température la plus basse dans l'échangeur de chaleur est aussi une autre importante raison pour exiger que l'élévation de température produite par le ventilateur ou la pompe de circulation dans l'agent de transfert de chaleur soit faible puisque pour des températures données à l'entrée et à la sortie de l'agent de transfert de chaleur traversant le noyau du réacteur, une plus grande variation de température produite par la pompe de circulation exige une tempé-