EP0072736A1 - Echangeur de chaleur à double barrière - Google Patents

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EP0072736A1
EP0072736A1 EP82401472A EP82401472A EP0072736A1 EP 0072736 A1 EP0072736 A1 EP 0072736A1 EP 82401472 A EP82401472 A EP 82401472A EP 82401472 A EP82401472 A EP 82401472A EP 0072736 A1 EP0072736 A1 EP 0072736A1
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Jean Claude Chaix
Jean Louis Chaix
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • Y10S165/001—Heat exchange with alarm, indicator, recorder, test, or inspection means
    • Y10S165/008—Leakage

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  • FIG. 5 it illustrates a particular embodiment of an exchanger according to the invention in which the primary sheath has the shape of a coil while the secondary liquid circulates in the spaces defined by the threads of two screws. with square steps.

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Abstract

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à double barrière, entre un fluide primaire radioactif et un fluide secondaire, permettant notamment de détecter une éventuelle fuite de fluide primaire au niveau de l'échangeur. Ce dernier circulant dans une gaine primaire (20) et le fluide secondaire circulant dans une gaine secondaire (22), une matrice de jonction (24) est disposée entre les gaines primaire et secondaire et en contact avec celles-ci, la matrice (24) se présentant sous la forme d'une masse métallique compacte comprenant au moins un élément, par exemple l'argent, susceptible d'être rendu radioactif lorsqu'il diffuse dans le fluide primaire. Application aux circuits de prélèvement des réacteurs nucléaires.

Description

  • La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur à double barrière plus spécialement destiné à réfrigérer l'eau primaire radioactive d'un circuit de prélèvement d'un réacteur à eau et permettant notamment de détecter une fuite du liquide primaire au niveau dudit échangeur.
  • Sur le circuit primaire d'un réacteur nucléaire sont branchés un certain nombre de circuits auxiliaires permettant de vérifier le bon fonctionnement de ce circuit et, s'il le faut, d'ajuster les caractéristiques du fluide primaire. En ce qui concerne l'un de ces circuits, dit "circuit de prélèvement", utilisé pour prélever des échantillons du liquide primaire pour analyse, il est nécessaire de refroidir le liquide primaire provenant du coeur avant d'effectuer le prélèvement. Pour cela, on le refroidit par l'intermédiaire d'un circuit secondaire de réfrigération. La plupart des échangeurs actuellement utilisés n'assurent pas une protection totale du circuit secondaire contre les risques de pollution par le fluide primaire et, en général, ne permettent pas de détecter rapidement une fuite accidentelle de ce dernier.
  • La présente invention a justement pour objet un échangeur de chaleur qui permet non seulement de protéger le circuit secondaire contre les risques consécutifs à une détérioration du circuit primaire, mais qui permet également de détecter rapidement une fuite du liquide primaire.
  • Selon la principale caractéristique de l'échangeur de chaleur objet de l'invention, le fluide primaire radioactif circulant dans une gaine primaire et le fluide secondaire circulant dans une gaine secondaire, cet échangeur comporte une matrice de jonction, disposée entre les deux gaines et en contact avec celles-ci, cette matrice se présentant sous la forme d'une masse métallique compacte et comprenant au moins un élément susceptible de diffuser dans le fluide primaire lorsqu'il est au contact de celui-ci et d'être rendu radioactif sous l'action d'une source d'activation. Ainsi, le fait que la matrice de jonction soit métallique et se présente sous forme compacte assure une bonne conductibilité thermique entre les gaines primaire et secondaire et confère une bonne résistance mécanique à l'ensemble du dispositif.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, l'élément susceptible d'être rendu radioactif lorsqu'il est entraîné par le fluide primaire est de l'argent. Ainsi, un tel échangeur se compose de deux "barrières", l'une entre la gaine primaire et la matrice, l'autre entre la matrice et la gaine secondaire. Le dispositif selon l'invention présente une sécurité accrue car il permet de détecter une anomalie au niveau de la première barrière (par exemple fuite du liquide primaire) bien avant que la seconde ne soit attaquée à son tour.
  • En effet, si une fuite se produit, par exemple suite à un percement de la gaine primaire, le liquide primaire attaque la matrice et des ions argent se mettent à diffuser dans le circuit primaire du réacteur : lors du passage dans le coeur, ils sont activés en argent 110 sous l'action du flux de neutrons. Cette anomalie peut alors être détectée sous forme d'une augmentation du pic de ce radioélément dans le spectre de radiochimie effectué périodiquement sur des prélèvements primaires : la rupture de la première barrière de l'échangeur peut donc être décelée très rapidement par surveillance de ce pic.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, la gaine secondaire a un coefficient de dilatation thermique sensiblement égal à celui de la matrice de jonction, ce qui permet d'éviter les inconvénients dus aux phénomènes de dilatation thermique.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
    • - la figure 1 est une vue schématique montrant un échangeur de chaleur selon l'invention placé dans un circuit de prélèvement relié au circuit primaire d'un réacteur,
    • - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation d'un échangeur conforme à l'invention dans lequel la gaine primaire a la forme d'un tube droit et la gaine secondaire une forme annulaire,
    • - la figure 3 est une vue schématique en coupe d'un autre mode de réalisation dans lequel la gaine primaire a la forme d'un tube droit et la gaine secondaire la forme d'un serpentin,
    • - la figure 4 est une vue schématique en coupe montrant une troisième forme de réalisation avec la gaine primaire en forme de serpentin, la gaine secondaire ayant une forme annulaire, et
    • - la figure 5 est une vue schématique en coupe d'un échangeur de chaleur selon l'invention dans lequel la gaine primaire a la forme d'un serpentin séparé par une matrice d'une gaine secondaire délimitée par les filets de deux vis à pas carré.
  • Sur la vue schématique de la figure 1, on voit le circuit primaire 1 d'un réacteur nucléaire permettant au fluide primaire de passer du coeur 2 où il s'échauffe au contact des gaines combustibles à un échangeur de chaleur 4. où il se refroidit au contact du fluide circulant dans le circuit secondaire 6 du réacteur avant de retourner dans le coeur. Sur le circuit primaire, et en aval de l'échangeur 4, est branché un circuit de prélèvement 8 permettant de prélever des échantillons du fluide primaire pour analyse. Cependant, même à la sortie de l'échangeur 4, le fluide primaire est encore trop chaud pour pouvoir effectuer ces prélèvements et il est nécessaire de le refroidir par un fluide circulant dans un circuit secondaire de réfrigération 10, ce refroidissement ayant lieu dans un échangeur de chaleur 12. Divers modes de réalisation sont possibles pour un tel échangeur, suivant la géométrie de la gaine primaire et de la gaine secondaire.
  • Dans l'exemple représenté à la figure 2, on voit que la gaine primaire a la forme d'un tube droit 14 entouré d'une enceinte annulaire 16 dans laquelle circule le liquide secondaire de refroidissement, le tube primaire 14 et l'enceinte annulaire 16 étant séparés par un espace 18 rempli par la matrice de jonction utilisée dans le cadre de la présente invention.
  • Dans le cas de la figure 3, la gaine primaire a encore la forme d'un tube cylindrique 20, mais la gaine secondaire 22 a la forme d'un serpentin entourant la gaine primaire et noyé à l'intérieur d'une matrice 24 placée tout autour du tube 20 et en contact avec celui-ci.
  • Dans l'exemple représenté à la figure 4, c'est la gaine primaire 26 qui a la forme d'un serpentin noyé dans une matrice de jonction 28, celle-ci étant placée entre deux parois cylindriques externe et interne référencées 30 et 32 respectivement sur la figure. Le fluide secondaire circule d'une part dans l'espace tubulaire 34 délimité par la paroi interne 32 et d'autre part dans un espace annulaire 36 délimité par la paroi externe 30 et une paroi extérieure 38.
  • Quant à la figure 5, elle illustre.un mode particulier de réalisation d'un échangeur selon l'invention dans lequel la gaine primaire a la forme d'un serpentin tandis que le liquide secondaire circule dans les espaces définis par les filets de deux vis à pas carrés.
  • Le liquide primaire arrive dans l'échangeur, qui a une forme cylindrique et porte la référence générale 11 sur le dessin, par un orifice d'entrée 42 situé à une extrémité et en ressort à l'autre extrémité par un orifice de sortie 44 après avoir circulé dans un serpentin 46 dont l'axe est sensiblement confondu avec celui du tube 11. Ce serpentin est noyé dans une matrice de jonction 47 qui est réalisée en alliage d'argent et de cuivre. A l'intérieur du cylindre défini par le serpentin 46, et en contact avec la matrice 47, est disposée une paroi cylindrique 48, appelée "paroi cylindrique interne" dans la suite du présent texte, de même axe que le tube 11, tandis qu'une pièce 49, filetée extérieurement, est placée à l'intérieur de la paroi 48 de telle sorte que son filet soit en contact avec la face interne de cette dernière. La section longitudinale du filet de la pièce 49 a sensiblement la forme d'un carré et c'est pourquoi cette pièce porte le nom de "vis à pas carré".
  • Du côté extérieur au cylindre défini par le serpentin 46, la matrice 47 est en contact avec une deuxième paroi cylindrique 50, dite "paroi cylindrique externe", qui n'est autre que la face interne d'une deuxième vis à. pas carré 51 filetée extérieurement, et à l'intérieur de laquelle sont disposés la matrice 47, le serpentin 46 et la première vis à pas carré 49. Enfin, une paroi extérieure 52 est en contact, d'une part avec le filet de la vis 51 et, d'autre part, avec l'enveloppe externe 53 du tube 11.
  • Le fluide secondaire pénètre par un orifice 54 situé à l'extrémité du tube 11 par laquelle est évacué le liquide primaire dans un trou 55 ménagé à l'intérieur de la pièce 49 et sensiblement le long de son axe. Un orifice 56 met le trou 55 en communication avec les espaces délimités d'une part par les filets des vis 49 et 51, d'autre part par les parois 48 et 52. Le fluide secondaire suit donc un double chemin hélicoïdal autour du serpentin primaire 46 avant d'être évacué à l'autre extrémité du tube 10 par un orifice de sortie 58. Cette disposition permet d'avoir un bon coefficient d'échange thermique et confère au dispositif une bonne rigidité, ce qui permet de réduire l'épaisseur des parois cylindriques interne et externe.
  • Dans le cas particulier décrit ici, la matrice 47 est un alliage binaire de cuivre et d'argent, obtenu par coulée d'un alliage eutectique ternaire d'argent, de cuivre et de cadmium, ce dernier se volatilisant au moment de la coulée. Cette opération étant effectuée sous atmosphère neutre et à une température d'environ 930°C, on réalise le serpentin primaire en un alliage à forte teneur en nickel (par exemple Inconel 800 ou Incoloy) afin de ne pas détériorer la gaine primaire au moment de la coulée. Les autres pièces de l'échangeur, et en particulier les vis à pas carré constituant les gaines secondaires,. sont réalisées en acier inoxydable 316 L. L'utilisation de cette nuance d'acier permet d'éviter les problèmes de dilatation puisque le coefficient de dilatation thermique de l'acier inoxydable est de 17.10-6 tandis que celui de l'alliage argent-cuivre utilisé pour faire la matrice de jonction est de 16,5.10-6. De plus cette matrice constitue un excellent pont thermique entre les gaines primaire et secondaire grâce à la bonne conductibilité de l'argent et du cuivre. Enfin, cet alliage a une bonne résistance mécanique, ce qui permet de réduire l'épaisseur du tube primaire et des gaines secondaires, l'épaisseur de ces éléments étant déterminée uniquement en fonction des problèmes de corrosion.
  • Deux cavités 60 et 61 sont ménagées à chaque extrémité du tube 11 afin de récupérer le liquide primaire ou secondaire qui peut s'échapper en cas de fuite.
  • L'enveloppe externe 53 du tube 11 est protégée contre les surpressions consécutives à une fuite par une soupape de sûreté 62. La détection des fuites avec un tel dispositif se fait de la manière suivante : si le tube primaire 46 est percé, le fluide primaire entre en contact avec l'alliage constituant la matrice de jonction, attaquant celui-ci, et des ions argent vont diffuser dans le circuit primaire et s'activer en argent 110 après passage dans le coeur du réacteur. On détecte donc la fuite de la gaine primaire en observant le pic de l'argent sur le spectre de radiochimie effectué périodiquement.
  • D'autre part, l'eau primaire s'échappant du serpentin 46 peut se frayer un chemin le long de celui-ci et parvenir jusqu'aux pièces d'extrémité portant la référence 63 sur le dessin et, de là, pénétrer dans les cavités 60 ou 61. Le liquide circulant dans le serpentin primaire 46 étant sous forte pression, il s'ensuit une augmentation de pression dans la cavité 61, et donc un déplacement de la soupape 62, ce qui libère l'orifice d'évacuation 65 : on peut donc détecter l'anomalie de fonctionnement par exemple grâce à une alarme qui se déclenche lorsque le liquide sort par cet orifice 65. Le liquide primaire peut également attaquer la matrice de jonction et parvenir ainsi jusqu'à la paroi limitant la gaine secondaire. A ce moment-là, sous l'effet de la pression, on peut avoir décollement de la matrice ou progression du liquide le long de l'interface et le fluide primaire s'écoule le long de cette interface jusqu'aux pièces d'extrémité 63 et débouche à nouveau dans la cavité 61 : la fuite peut encore être détectée grâce à la soupape de sûreté 62. Cependant, il faut remarquer que, dans tous les cas, le phénomène d'attaque de la matrice de jonction est suffisamment lent pour permettre la détection de l'anomalie par observation du pic de l'argent 110, généralement bien avant que le fluide ne parvienne dans les cavités 60 ou 61 : on peut donc intervenir rapidement pour remplacer l'appareil défectueux avant destruction complète de celui-ci.
  • Ainsi, le dispositif selon l'invention présente des avantages particulièrement intéressants puisqu'il permet un bon échange thermique entre le liquide primaire et le liquide secondaire, une bonne tenue mécanique de l'ensemble même avec des parois minces, et permet également de détecter rapidement une fuite au niveau de la gaine primaire, puisqu'en cas de percement de celle-ci, l'un des éléments constituant la matrice de jonction diffuse dans le liquide primaire et peut être facilement détecté par contrôle spectrographique.
  • Il est bien entendu que l'invention ne se limite pas aux seuls exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, mais qu'on peut envisager diverses variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. C'est ainsi que l'homme de l'art pourra choisir, suivant chaque cas particulier, la forme la mieux adaptée pour les gaines primaire et secondaire ainsi que les matériaux constituant ces gaines et la matrice de jonction.

Claims (11)

1. Echangeur de chaleur à double barrière entre un fluide primaire radioactif circulant dans une gaine primaire (20) et un fluide secondaire circulant dans une gaine secondaire (22), caractérisé en ce qu'il comporte une matrice de jonction (24) disposée entre les deux gaines (20, 22) et en contact avec celles-ci, cette matrice (24) se présentant sous la forme d'une masse métallique compacte et comprenant au moins un élément susceptible de diffuser dans le fluide primaire lorsqu'il est au contact de celui-ci et d'être rendu radioactif sous l'action d'une source d'activation.
2. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coefficient de dilatation thermique de la gaine secondaire (22) est sensiblement égal à celui de la matrice de jonction (24).
3. Echangeur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de la matrice (24) susceptible d'être rendu radioactif est de l'argent.
4. Echangeur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la matrice (24) est constituée par un alliage binaire d'argent et de cuivre.
5. Echangeur de chaleur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matrice (24) est obtenue par coulée sous atmosphère neutre d'un alliage eutectique ternaire d'argent, de cuivre et de cadmium, ce dernier se volatilisant au moment de la coulée.
6. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la gaine primaire (20) est constituée par un alliage ayant une forte teneur en nickel.
7. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la gaine secondaire (22) est en acier inoxydable.
8. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la gaine primaire a la forme d'un tube droit (14) entouré par une matrice de jonction (18) qui est elle-même entourée par une gaine secondaire (16) de forme annulaire.
9. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la gaine primaire a la forme d'un tube droit (20) entouré d'une matrice (24) à l'intérieur de laquelle est disposée la gaine secondaire qui se présente sous la forme d'un serpentin (22).
10. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la gaine primaire a la forme d'un serpentin (26) noyé dans une matrice (28) celle-ci étant en contact avec une gaine secondaire (36) de forme annulaire.
11. Echangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la gaine primaire a la forme d'un serpentin (46) noyé dans une matrice (47), celle-ci étant en contact avec deux parois cylindriques, l'une interne (48) et l'autre externe (50), la paroi cylindrique interne (48) séparant la matrice (47) du filet d'une première pièce cylindrique filetée extérieurement (49), la paroi cylindrique externe (50) étant constituée par la paroi interne d'une deuxième pièce cylindrique filetée extérieurement (51), le fluide secondaire circulant dans les espaces délimités d'une part par le filet de la première pièce filetée (49) et la paroi cylindrique interne (48), d'autre part par le filet de la deuxième pièce filetée (51) et une paroi extérieure (52).
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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