FR2491782A1

FR2491782A1 - Electromagnetic trap for ferromagnetic particles in fluid - esp. for removing corrosion prods. from prim. and sec. water circuits in water-cooled nuclear reactor

Info

Publication number: FR2491782A1
Application number: FR8021906A
Authority: FR
Inventors: Gerard Belz; Daniel Christen
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1980-10-14
Filing date: 1980-10-14
Publication date: 1982-04-16
Also published as: FR2491782B1

Abstract

The fluid, e.g. water, flows along a pipe (I) made of a non-magnetic material and contg. a concentric outlet pipe (II), so an annular gap (G) is formed between the pipes (I,II). Pipe (I) is located inside a row of electromagnet coils, which are fed with a three-phase a.c. supply so a travelling magnetic field is obtd. The magnetic field travels in the same direction as the water, so that ferromagnetic particles in the latter are carried into gap (G) and travel with some of the water through a separate exit. Used esp. to remove ferromagnetic corrosion prods. from water circuits in nuclear reactors cooled by water; but also for removing such prods. from steel pipes carrying boiler water.

Description

La présente invention se rapporte à un piège électromagnétique pour particules situées dans un fluide en écoulement et s'applique plus particulièrement à l'épuration des produits de corrosion aqueuse des aciers des circuits de chaudière, en particulier des circuits primaire et secondaire de réacteurs nucléaires refroidis à l'eau. The present invention relates to an electromagnetic trap for particles located in a flowing fluid and applies more particularly to the purification of aqueous corrosion products from steels in boiler circuits, in particular the primary and secondary circuits of cooled nuclear reactors. at the water.

Dans les chaudières, qu'elles soient de type classique ou du domaine nucléaire, l'eau en circulation dans des canalisations métalliques constituées le plus souvent d'acier inoxydable, provoque une corrosion de l'acier conduisant à la formation de particules d'oxydes divers de fer, de nickel, de cobalt, de manganèse et de chrome (oxydes spinelles), le principal étant généralement la magnétite ou oxyde
Fe304.Indépendamment de l'inconvénient que présente le transport de ces produits de corrosion dans des canalisations de centrales thermiques et des risques de rupture de tubes qui en résultent dans les chaudières tubulaires, ces produits de corrosion ainsi déposés sont soumis, dans le cas d'installations nu nucléaires, à une irradiation neutronique intense qui les transforme en composés radioactifs dangereux tels que les cobalts 58 et 60 le manganèse 54, le fer 59 et le chrome 51. Ces composés radioactifs causent de grosses difficultés en limitant le moment venu, llac- cès du personnel de maintenance ou d'entretien.In boilers, whether conventional or nuclear, the water circulating in metal pipes most often made of stainless steel, causes corrosion of the steel leading to the formation of oxide particles. various of iron, nickel, cobalt, manganese and chromium (spinel oxides), the main one generally being magnetite or oxide
Regardless of the disadvantage of transporting these corrosion products in thermal power plant pipelines and the risks of rupturing tubes which result in tubular boilers, these corrosion products thus deposited are subject, in the case of Nuclear installations, with an intense neutron irradiation which transforms them into dangerous radioactive compounds such as cobalts 58 and 60 manganese 54, iron 59 and chromium 51. These radioactive compounds cause great difficulties by limiting the time, llac - death of maintenance or service personnel.

Pour toutes ces différentes raisons, il est souhaitable de procéder à une filtration permanente de l'eau des circuits de chaudière thermique et notamment des circuits de réacteurs nucléaires pour les débarrasser des particules produites par la corrosion. La plupart de ces particules étant magnétiques, on a tout naturellement recours à des champs magnéti ques ou électromagnétiques pour les extraire du milieu fluide dans lequel ils-baignent. For all these different reasons, it is desirable to carry out permanent filtration of the water in the thermal boiler circuits and in particular in the nuclear reactor circuits to rid them of the particles produced by corrosion. Most of these particles being magnetic, we naturally use magnetic or electromagnetic fields to extract them from the fluid medium in which they are immersed.

Diverses techniques de filtration électromagnétique ont fait l'objet de demandes de brevets français parmi lesquelles on peut citer les demandes
EN 72 25870, EN 72 45277, EN 72 45355 et
EN 74 12659. Toutes ces techniques reposent sur l'utilisation de pièges d'acier, notamment des fil tres à billes que l'on aimante à l'aide a d'un champ électromagnétique induit par des bobines extérieures. Dans une première phase, le fluide chargé des impuretés magnétiques traverse le piège que constitue le lit de billes d'acier ; au cours de cette traversee les particules sensibles au champ magnétique ou électromagnétique sont attirées vers les zones où le flux est le plus élevé et s'y trouvent piégées.Dans une seconde phase ultérieure, on élimine les particules piégées soit en extrayant le noyau magnétique sur lequel elles se sont rassemblées, soit en supprimant le champ magnétique induit et en lavant le filtre par circulation d'un fluide de nettoyage.Various electromagnetic filtration techniques have been the subject of French patent applications among which we can cite the applications
EN 72 25870, EN 72 45277, EN 72 45355 and
EN 74 12659. All of these techniques are based on the use of steel traps, in particular ball threads which are magnetized using an electromagnetic field induced by external coils. In a first phase, the fluid charged with magnetic impurities crosses the trap formed by the bed of steel balls; during this crossing the particles sensitive to the magnetic or electromagnetic field are attracted towards the zones where the flux is the highest and are trapped there. In a second later phase, the trapped particles are eliminated either by extracting the magnetic core on which they have collected, either by suppressing the induced magnetic field and by washing the filter by circulation of a cleaning fluid.

Les dispositifs qui fonctionnent selon ce principe général sont peu pratiques car l'existence nécessaire d'une phase d'élimination proprement dite suppose soit la mise hors service de liappareil soit sa mise hors circuit. De toute façon, le fonctionneo ment est donc obligatoirement séquentiel et comporte des phases de capture des particules suivies de phases de nettoyage. The devices which function according to this general principle are impractical because the necessary existence of an elimination phase proper supposes either the decommissioning of the apparatus or its disconnection. In any case, the operation is therefore necessarily sequential and includes phases for capturing particles followed by cleaning phases.

Par ailleurs, le volume de telles installations est très important car la vitesse de passage du fluide à épurer doit être faible, ce qui nécessite, dans le cas de circulation à haute pression, des capacités élevées à parois épaisses, c'est-à-dire coû- teuses, difficiles à installer en particulier sur des circuits déjà existants ; de plus, l'installation d'un tel dispositif sur un circuit de réfrigérant se traduit en général par une perte de charge hydraulique importante. Furthermore, the volume of such installations is very large because the speed of passage of the fluid to be purified must be low, which requires, in the case of high pressure circulation, high capacities with thick walls, that is to say to say expensive, difficult to install in particular on already existing circuits; in addition, the installation of such a device on a refrigerant circuit generally results in a significant hydraulic head loss.

Dans le domaine nucléaire plus spécialement, le problème de l'élimination des particules sensibles au champ magnétique ou électromagnétique est d'actualité (réacteurs PWR, BWR, à eau lourde) où l'on cherche à purifier - soit l'eau primaire des réacteurs à eau pressurisée
pour en éliminer de cette façon les produits de
corrosion ferromagntiques activés, permettant
ainsi une réduction importante des doses intégrées
reçues par le personnel d'exploitation et d'entre
tien des centrales - soit l'eau secondaire de ces mêmes réacteurs, pour
réduire les dépôts de produits de corrosion dans
les tuyauteries et les générateurs de vapeur du
circuit secondaire.In the nuclear field more specifically, the problem of eliminating particles sensitive to the magnetic or electromagnetic field is of topicality (PWR, BWR, heavy water reactors) where we are seeking to purify - either the primary water of the reactors pressurized water
to eliminate the products of
activated ferromagnetic corrosion, allowing
thus a significant reduction in integrated doses
received by operating and maintenance personnel
yours from power plants - that is secondary water from these same reactors, to
reduce deposits of corrosion products in
the pipes and the steam generators of the
secondary circuit.

A cet effet, la présente invention a pour objet un piège électromagnétique pour particules ferromagnétiques situées dans un fluide en écoulement, qui peut être utilisé aussi bien sur les circuits primaires et secondaires des réacteurs. nucléaires, notamment ceux refroidis à l'eau, que dans le domaine non nucléaire, pour la séparation de particules sensibles au champ magnétique ou électromagnétique dispersées dans les liquides chargés en de telles impuretés. To this end, the present invention relates to an electromagnetic trap for ferromagnetic particles located in a flowing fluid, which can be used both on the primary and secondary circuits of reactors. nuclear, in particular those cooled with water, than in the non-nuclear field, for the separation of particles sensitive to the magnetic or electromagnetic field dispersed in the liquids charged with such impurities.

Ce piège électromagnétique est caractérisé en ce qu'il est constitué d'une partie de circuit tubulaire en un matériau non magnétique ayant une conduite d'entrée et deux conduites de sortie concentriques définissant entre elles une zone annulaire, ledit circuit tubulaire étant entouré de bobines électriques régulièrement réparties sur sa longueur et alimentées en courant alternatif polyphasé de fa çon à induire, selon l'axe du circuit tubulaire, un champ électromagnétique glissant de même sens que l'écoulement du fluide. This electromagnetic trap is characterized in that it consists of a tubular circuit part made of a non-magnetic material having an inlet pipe and two concentric outlet pipes defining between them an annular zone, said tubular circuit being surrounded by coils electrics regularly distributed over its length and supplied with polyphase alternating current so as to induce, along the axis of the tubular circuit, an electromagnetic field sliding in the same direction as the flow of the fluid.

Sous l'action conjuguée de la vitesse d'écoulement du fluide et de la vitesse de glissement du champ magnétique qui agissent bien entendu dans le même sens, les particules magnétiques indésirables contenues dans le fluide sont à la fois entrainees et attirées contre les parois internes du circuit tubulaire, ce qui assure leur répartition quasi exclusive dans la zone annulaire comprise entre les deux con- duites de sortie concentriques. I1 suffit alors de prévoir une canalisation de sortie latérale qui débouche dans cette zone annulaire pour évacuer en continu la majeure partie des particules ferromagnétiques entraînées dans le fluide. Under the combined action of the fluid flow speed and the sliding speed of the magnetic field which of course act in the same direction, the unwanted magnetic particles contained in the fluid are both entrained and attracted against the internal walls of the tubular circuit, which ensures their almost exclusive distribution in the annular zone between the two concentric outlet pipes. I1 then suffices to provide a lateral outlet pipe which opens into this annular zone to continuously evacuate most of the ferromagnetic particles entrained in the fluid.

L'efficacité d'un tel piège électromagnétique est évidemment maximum lorsque la vitesse des particules entraînées par le fluide est voisine de la vitesse de déplacement du champ glissant, puisque la particule est alors continuellement soumise à la meme intensité de champ magnétique, du fait que la vitesse relative entre le fluide et le champ magnétique est alors nulle en translation selon l'axe du dispositif. The efficiency of such an electromagnetic trap is obviously maximum when the speed of the particles entrained by the fluid is close to the speed of displacement of the sliding field, since the particle is then continuously subjected to the same magnetic field intensity, because the relative speed between the fluid and the magnetic field is then zero in translation along the axis of the device.

Un tel filtre électromagnétique est d'une réalisation particulièrement simple, d'une utilisation très pratique et d'une efficacité élevée. En effet, on ne risque aucun problème de colmatage ; il n'existe pas de nécessité de prévoir un nettoyage séquentiel puisque- les particules magnétiques sont évacuées en continu, au fur et à mesure même de leur captation, vers la zone annulaire d'où elles peuvent etre soutirées selon une cadence discontinue n'influant nullement sur l'efficacité du dispositif. Par ailleurs un tel dispositif permet de filtrer un fluide de s'écoulant avec un grand débit. Such an electromagnetic filter is of a particularly simple embodiment, of very practical use and of high efficiency. In fact, there is no risk of clogging problems; there is no need to provide a sequential cleaning since- the magnetic particles are continuously evacuated, as and when they are captured, towards the annular zone from where they can be withdrawn at a discontinuous rate which does not influence in no way on the effectiveness of the device. Furthermore, such a device makes it possible to filter a fluid flowing with a high flow rate.

Selon l'invention, le piège électromagnétique est alimenté le plus souvent en courant alternatif triphasé, les bobines électriques entourant le circuit tubulaire étant alors alimentées selon une périodicité spatiale de trois, par chacune des trois phases du réseau. According to the invention, the electromagnetic trap is most often supplied with three-phase alternating current, the electric coils surrounding the tubular circuit then being supplied with a spatial periodicity of three, by each of the three phases of the network.

Enfin, dans les cas où il est nécessaire de parvenir a un degré d'épuration élevé du fluide charge en particules eerromagnetiques indésirables, plusieurs pièges électromagnétiques selon l'invention peuvent etre montés en série les uns derrière les autres, le fluide nappauvrl" en particules sensibles au champ magnétique sortant du premier étage étant alors réinjecté à l'entrée d'un deuxième étage dispo- sé dans le circuit de circulation du fluide. Finally, in cases where it is necessary to achieve a high degree of purification of the fluid loaded with undesirable eerromagnetic particles, several electromagnetic traps according to the invention can be mounted in series one behind the other, the nappauvrl fluid "in particles sensitive to the magnetic field exiting the first stage then being reinjected at the entry of a second stage available in the fluid circulation circuit.

Une telle disposition en série des pièges électromagnétiques selon l'invention, peut également être montée sur les sorties successives du fluide "enrichi" des zones annulaires, et permet, dans ce cas, d'obtenir un fluide fortement concentré en particules sensibles au champ magnétique. Such a series arrangement of the electromagnetic traps according to the invention can also be mounted on the successive outlets of the "enriched" fluid from the annular zones, and makes it possible, in this case, to obtain a fluid highly concentrated in particles sensitive to the magnetic field. .

De toute façon, l'invention sera mieux comprise en se référant à la description qui suit d'un exemple de realisation du piège électromagnétique, exemple décrit en se référant a' la figure unique qui montre un tel dispositif en coupe selon l'axe. In any case, the invention will be better understood by referring to the description which follows of an exemplary embodiment of the electromagnetic trap, example described with reference to the single figure which shows such a device in section along the axis.

Sur la figure unique, on a représenté le circuit tubulaire non nzagnétique 1 comportant une entrée de fluide 2 et deux conduites de sortie 3 et 4 concentriques. Les deux conduites de sortie 3 et 4 définissent une zone annulaire 5 dans laquelle débou che une canalisation de sortie latérale 6. In the single figure, there is shown the non-nzagnetic tubular circuit 1 comprising a fluid inlet 2 and two concentric outlet pipes 3 and 4. The two outlet pipes 3 and 4 define an annular zone 5 into which opens a lateral outlet pipe 6.

Le matériau non magnétique constituant le circuit tubulaire peut etre en toute matière connue, telle que par exemple les matières plastiques, l'aluminium, le cuivre ainsi que les alliages austénitiques de nickel, chrome et fer. Le choix du matériau approprié dépend uniquement des conditions de fonctionnement du piège électromagnétique,et notamment de la température et de la pression du fluide qui y circule. The non-magnetic material constituting the tubular circuit can be of any known material, such as for example plastics, aluminum, copper as well as austenitic alloys of nickel, chromium and iron. The choice of the appropriate material depends only on the operating conditions of the electromagnetic trap, and in particular on the temperature and the pressure of the fluid which circulates there.

Selon l'invention, un certain nombre de bobines électriques 7 sont prévues autour du circuit tubulaire 1 et réparties régulièrement sur toute la longueur de celui ci. Dans l'exemple de réalisation décrit à titre non limitatif, l'alimentation du piège électromagnétique selon ltinvention est réalisée à l'aide d'un réseau alternatif triphasé, dont les trois phases sont repérées A, B et C sur le dessin
Comme on le voit, la première bobine 7a est alimentée entre la phase A et.la phase B, la deuxième bobine 7b est alimentée entre la phase B et la phase C et la troisième bobine 7c est alimentée entre la phase C et la phase A.Cette périodicité spatiale de trois bobines se repente tout au long du circuit tubulaire 1 et permet d'obtenir selon l'axe du piège électromagnétique un champ magnétique glissant à la vitesse Vg dans le même sens que la vitesse d'écoulement V1 du fluide circulant à l'intérieur du circuit tubulaire 1. La vitesse V de glissement du champ magnétique est
g fonction à la fois du pas d'espacement des diverses bobines 7 et de la fréquence du courant triphasé d'alimentation.According to the invention, a number of electric coils 7 are provided around the tubular circuit 1 and distributed regularly over the entire length thereof. In the embodiment described without limitation, the supply of the electromagnetic trap according to the invention is carried out using a three-phase alternating network, the three phases of which are marked A, B and C in the drawing
As can be seen, the first coil 7a is supplied between phase A and phase B, the second coil 7b is supplied between phase B and phase C and the third coil 7c is supplied between phase C and phase A .This spatial periodicity of three coils repents throughout the tubular circuit 1 and makes it possible to obtain along the axis of the electromagnetic trap a magnetic field sliding at the speed Vg in the same direction as the flow speed V1 of the circulating fluid inside the tubular circuit 1. The sliding speed V of the magnetic field is
g function both of the spacing pitch of the various coils 7 and of the frequency of the three-phase supply current.

Le fonctionnement du piège électromagnétl- que ainsi décrit peut intervenir de deux façons différentes. The operation of the electromagnetic trap thus described can occur in two different ways.

Dans un premier mode de fonctionnement, on peut utiliser une alimentation à fréquence nulle, c'est-à-dire à courant continu, qui engendre alors un champ électromagnétique lui-même continu. Dans ce cas, les impuretés sensibles au champ magnétique et qui sont entraînées par le fluide circulant à la vitesse V1 dans le circuit tubulaire 1 subissent de la part de ce champ magnétique continu une attraction radiale vers la paroi du circuit tubulaire 1 ; selon l'importance relative de la force d'attraction magnétique due à ce champ et de la force d'entraînement dû au mouvement du fluide, elles restent ou non fixées à la paroi du circuit tubulaire 1. Dans ce dernier cas, le dispositif décrit fonctionne alors en simple piège magnétique, capable de "coller" sur les parois les particules magnétiques indésirables que renferme le fluide en écoulement. In a first operating mode, it is possible to use a power supply at zero frequency, that is to say direct current, which then generates an electromagnetic field which is itself continuous. In this case, the impurities sensitive to the magnetic field and which are entrained by the fluid circulating at speed V1 in the tubular circuit 1 undergo on the part of this continuous magnetic field a radial attraction towards the wall of the tubular circuit 1; depending on the relative importance of the magnetic attraction force due to this field and the driving force due to the movement of the fluid, they remain or not fixed to the wall of the tubular circuit 1. In the latter case, the device described then operates as a simple magnetic trap, capable of "sticking" to the walls the undesirable magnetic particles that the flowing fluid contains.

Dans un deuxième mode de fonctionnement, qui est de loin le plus intéressant, les bobines 7 sont alimentées en courant alternatif polyphasé et par l'effet de la conjonction de la vitesse V1 d'écoulement du fluide et de la vitesse de glissement
Vg du champ magnétique produit, les particules sont à la fois entrainées dans le fluide et attirées par la paroi du circuit tubulaire 1. En d'autres termes, elles se rassemblent de préférence dans la zone annulaire 5 et sont évacuées par la canalisation de sortie 6 avec une partie de fluide ainsi enrichie en particules magnétiques.In a second operating mode, which is by far the most interesting, the coils 7 are supplied with polyphase alternating current and by the effect of the conjunction of the speed V1 of fluid flow and of the sliding speed
Vg of the magnetic field produced, the particles are both entrained in the fluid and attracted by the wall of the tubular circuit 1. In other words, they preferably gather in the annular zone 5 and are evacuated by the outlet pipe. 6 with a part of fluid thus enriched in magnetic particles.

Bien entendu, le taux d'extraction des particules magnétiques peut être réglé de façon continue en choisissant les valeurs des paramètres que sont les deux vitesses V1 du fluide et Vg du champ glissant. On peut également envisager une sortie du fluide par la canalisation latérale 6 en continu ou en discontinu. Of course, the extraction rate of the magnetic particles can be adjusted continuously by choosing the values of the parameters that are the two speeds V1 of the fluid and Vg of the sliding field. It is also possible to envisage an outlet of the fluid through the lateral pipe 6 continuously or discontinuously.

Claims

1. Electromagnetic trap for particles sensitive to the magnetic field located in a flowing fluid, characterized in that it consists of a tubular circuit part (1) made of a non-magnetic material having an inlet pipe (2) and two concentric outlet pipes (3, 4), defining between them an annular zone (5), said tubular circuit (1) being surrounded by electric coils (7) regularly distributed over its length and supplied with polyphase alternating current so as to induce , along the axis of the tubular circuit, an electromagnetic field sliding in the same direction as the flow of the fluid.

2. Trap according to claim 1, characterized in that the alternating supply current is three-phase, the electric coils (7) being supplied at a spatial frequency of 3 by each of the three phases of the network.

3. Trap according to any one of claims 1 and- 2, characterized in that it comprises a lateral outlet pipe (6) opening into the annular zone (5) between the two concentric outlets.

4. Application of the trap according to any one of the preceding claims 1 to 3, for the elimination of ferromagnetic corrosion products from the water circuits of water-cooled nuclear reactors.