CH452714A - Dispositif cryogénique d'irradiation à basse température d'un échantillon de matière - Google Patents

Description

Dispositif cryogenique d'irradiation ä hasse temperature dun echantillon de mauere L'un des objets du brevet principal est un procede cryogenique d'irradiation ä hasse temperature d'un echantillon de matiere, caracterise en ce qu'on immerge 1'echantillon d@ans un bain d'un Premier fluide cryo- g6nique en Phase liquide contenu dans une encente etanche, en ce qu'on soumet 1e bain et l'echantillon ä une irradiation qui provoque la vaporisation dudit Pre mier fluide, en ce qu'on realise un echange thermique entre 1e Premier fluide en Phase gazeuse et un second liquide cryogenique ä un emplacement plus eleve que 1e bain et hors d'irradiation pour condenser ledit Pre mier fluide, qu'apres condensation an fait retourner au- dit bain par gravite. .

La brevet principal a egalement pour objet un dis- positif pour la mise en Oeuvre de ce procede, dispositif qui est caracterise en ce qu'il comporte une enceinte etanche destinee ä contenir 1e bain de Premier fluide cryogenique, un echangeur thermique place en une Par tie haute de ladite enceinte pour condenser las vapeurs emises par ledit bain, -un circuit d'alimentation de 1'echangeur en un second fluide cryogenique ä temp6ra- ture au plus egale ä celle de liquefaction du Premier fluide, et un dispositif de retour par gravite audit bain, du Premier fluide cryogenique condense.

De tels dispositifs cryogeniques actuellement en ser- vice utilisent pour maintenir 1'echangeur ä hasse tempe- rature un circuit dit secondaire parcouru par un second fluide cryogenique qui arrive @en Phase liquide dans 1'echangeur oü il se vaporise. La circuit secondaire comprend un reservoir ballast ä temperature proche de 1'ambiante, auquel ce second fluide cryogenique revient, au moiris en Partie, apres vaporisation Jans 1'echangeur, et un liquefacteur qui ramene 1e second fluide cryo- g6nique en Phase liquide avant de 1e renvoyer ä 1'echan- geur. La liquefacteur fonctionne Par compression et de- tente du fluide. Une teile disposition se traduit par une perte ther- mique importante; puisqu'une Partie au moins du fluide secondaire doit revenir de-Duis 1a hasse temperature proche de son point d'ebullition ä laquelle il s'dchappe de 1'echangeur, jusqu'ä la temperature ambiante.

La Probleme de ces pertes est encore aggrave par 1'augmentation constante de la Puissance et du flux d'i'rradiation des reacteurs de recherche ; si en effet 1'augmentation du flux neutronique Dermet de diminuer la duree d'irradiation des echantillons etudies, alle im- plique une augmentation parallele de la puissance frigo- rifique ä dissiper au niveau de 1'dchantillon irradie, du debit de fluide Primaire Jans 1'echangeur et (du fait no- tamment de 1'augmentation correlative du flux gamma) correlativement du debit d'alfmentation de 1'echangeur en second fluide cryogenique en Phase liquide.

La dissipation thermique par 1e conduit d'alimen- tation du bain d'irradiation en fluide en Phase liquide peut etre diminuee en protegeant 1e conduit par un ecran maintenu ä hasse temperature : Cet ecran peut etre constitue par une conduite annulaire (tube ä double paroi) concentrique ä ce conduit et parcourue par une circulation de fluide ä une tempzrature l6gere- ment superieure ä celle du fluide destine ä foumir 1e bain d'irradiation. Cette circulation Deut etre constituee soit du fluide cryogenique en Phase gazeuse revenant vers 1e reservoir ballast, soit d'un antre fluide.

Dans la suite du Dresent brevet, la terminologie sui- vante Sera adoptee : an designera par 1e terme de cir- cuit Primaire 1e circuit de fluide cryogenique compör- tant 1e bain d'irradiation proprement dit, constitue par une enceinte dont la Partie hasse est occupee par 1e bain et dann laquelle se vaporise 1e gaz liauefie sous 1'action du rayonnement qu'il re@oit et dont la Partie haute est munie d'un echangeur de chaleur dans lequel 1e fluide cryogenique en Phase gazeuse provenant du bain se con- dense pour revenir au bain. 0n designera par 1e terme de circuit secondaire un circuit destin6 ä fournir les frigories ndcessaires ä 1'dchangeur precite. 0n designera enfin par 1e terme de circuit auxiliaire un circuit entourant au moins partiellement 1e circuit Primaire et parcouru par un fluide ä temp6rature 16gerement sup6- rieure ä celle du fluide dans le circuit Primaire.

La pr6sente invention vise ä rem6dier aux incon- v6nients mentionn6s plus haut, gräce ä un perfectionne- ment du dispositif qui fait 1'objet du brevet principal. Ce perfectionnement est destind ä 6viter les pertes de frigories dues ä la n6cessit6 ä laauelle 6taient soumis les dispositifs connus jusqu'ä maintenant de laisser 1e fluide du circuit secondaire se rdchauffer sans recupe- ration de sa chaleur sensible.

Dans ce but, eile a pour objet un d-ispositif selon la revendication II du brevet principal, caract6risz en ce que 1'echangeur thermique de condensation des vapeurs emi= ses par 1e bain du Premier fluide cryogenique est consti- tu6 par 1e point froid d'un r6frig6rateur, comprenant un circuit interne parcouru par un fluide capable de liquefier un fluide cryog6nique circulant dans un circuit ext6rieur au r6frig6rateur lors de son Passage dann ledit dchangeur de chaleur. Ce refrig6rateur peut fonetionner avec ddtente de Joule-Thomson du fluide de travail in terne, ce qui foumit un point froid ä la temp6rature de liqu6faction de fluide de travail ; il peut 6galement fonctionner, avec un cycle de Stirling du fluide de tra- vail interne (helium en genoral) sans liau6faction de celui-ei. Ce second r6frig6rateur sera d6signe par la suite par 1e terme de cryogdn6rateur .

Ainsi, dann ee dispositif decrit la totalit6 des vapeurs du fluide cryog6nique provenant du bain, retournent di- rectement au r6frig6rateur oü elles sont reliqu6fiees.

En plus de 1'avantage mentionn6 plus haut, an notera celui de diminuer la quantit6 de fluide cryog6nique dtant donnd la rdduction d'6tendue du circuit secondaire constitu6 par 1e refrigdrateur. De plus, la surface de transfert thermique par rayonnement ä partir, des por- tions du circuit occupdes par du fluide cryogdnique est sensiblement reduite et les pertes diminuees 6galement.

Dans une forme d'ex6cution prefdree du dispositif, 1e r6frig6rateur comporte plusieurs etages fournissant des points froids ä des temperatures diffdrentes : 1'dtage sup6rieur, ä plus basse temp6rature, est utihs6 pour refroidir 1'echangeur du circuit Primaire du dispositif, 1'autre etage ou les Gutres 6tages pour refroidir 1'echan- geur du ou des circuits auxiliaires.

La figure unique du dessin illustre, äRTI ID="0002.0276" WI="7" HE="4" LX="824" LY="1980"> titre d'exemple, une forme d'exdcution du dispositif de 1'invention, dans laquelle les circuits Primaire et auxiliaire sont aliment6s respectivement par les deux etages ä temp6ratures d'iff6- rentes d'un cryogen6rateur.

Le dispositif repr6sent6 est destin6 ä etre place dans la masse d'eau dune eile piscine pour y irradier un 6chantillon ä basse temperature par les neutrons pro- venant du Coeur de celle-ci. Ce dispositif comprend un circuit Primaire A, delimitd Par une enceinte fermde dont 1e fond est occup6 Dar un bain 6 de fluide cryog6nique liqudfi6, constitud par exemple par de 1'hydrogene li quide. L'enceinte 4 est alimentee en fluide en Phase li quide par une tubulure d'alimentation B. Elle se pro- longe par une conduite annulaire 10, constituant 6cran autour de la majeure Partie de la tubulure 8 d'dvacua- tion du fluide cryog6nique.

Par la conduite 10 1e fluide vaporise par la chaleur degag6e dans 1e bain 6 revient vers 1'echangeur de con- densation constitu6 Dar 1'6tage superieur 12 d'un cryo- generateur 14: 1e fluide en Phase liquide revient au bain 6 par dcoulement par gravit6.

L'enceinte 4 repr6sent6e comprend une Partie verti- cale 15 et une Portion oblique 16 par laquelle s'effee- tuent 1'alimentation en fluide cryogenique en Phase li quide et 1'echappement en Phase vapeur. La Partie 15 est ferm6e ä son extr6mit6 sup6rieure Dar un couvercle 17 6tanche et amovible. Cette disposition facilite 1'intro- duction d'6chantillons ä irradier däns 1e bain 6 et leur enlevement, un fourreau 6mergeant de la masse d'eau est fix6 de fagon 6tanche ä la Partie 15 pour la prolon- ger, 1'eau en est enlev6e et 1e couvercle extrait pour donner acces au bain 6.

Pour r6duire les pertes par convection, 1'ensemble du circuit Primaire est dispose dans une enceinte sous vide 18 dont les diverses Parties sont sensiblement concen- triques ä celles du circuit Primaire A. 0n notera simple- ment que la Partie tubulaire 15 fait saillie hors de la face sup6rieure de 1'enceinte 18 pour permettre 1'acces au couvercle 17. Des moyens connus (non repr6sent6s) sont prdvus pour rdaliser un vide suffisamment pouss6 dans 1'enceinte 18.

Pour reduire les pertes thermiques par rayonnement entre Je circuit Primaire et 1'ambiante, il est prdvu un circuit auxiliaire B aui constitue un 6cran ä temp6rature 16gerement plus 61evee que celle du circuit Primaire, interposd entre ce circuit et 1'enceinte 18 : 1e maintien ä cette temp6rature intermediaire pourra etre rdalis6 par circulation dans Je circuit B d'un second fluide cryo- genique d'abord en Phase liquide, puis en PhaseRTI ID="0002.0548" WI="11" HE="4" LX="1885" LY="1305"> vapeur.

Le circuit auxiliaire comDrend une conduite annu- laire 20 concentrique aux Parties 15 et 16 du cireuit Pri maire sur la majeure Partie de celui-ci. Le circuit auxi- liaire est aliment6 en second fluide cryog6nique en Phase liquide par une tubulure 22 reliant 1'6tage infdrieur 24 de la machine 14 ä la Dartie inferieure de la conduite 20 ; une fois vaporis6, ce second fluide revient ä 1'6tage 24 par la conduite 20, puis par un second conduit 26 con- centrique ä la tubulure 22. La conduite 20 joue 1e rele d'6cran contre 1e rayonnement thermiaue du circuit Pri maire. Le conduit 26 joue 1e meme röle en ce aui con- cerne la tubulure 22.

TI est inutile de prolonger 1e circuit auxilialre jusqu'ä la Portion inferieure de la Partie 15 du circuit Primaire A, car les pertes par rayonnement thermique y sont tres faibles par rapport ä celles dues ä l'absorption des radiations 28 du coeur 30. Si cependant an souhaite r6- duire les pertes par rayonnement thermioue, 1a conduite 20 peut etre prolongee par un fourreau cylindrique 32 en mdtal poli, non aetivable et peu absorbant et refroidi par conduction.

Le fluide cryog6nique circule par gravit6 dann le cir- cuit auxiliaire 6galement : il peut Ure, par exemple, de 1'azote.

A titre d'exemple, an peut citer un dispositif utili'sant dans 1e circuit Primaire 4'hydrogene circulant ä 20o K entre un echangeur situ6 dans la boite ä hydrogene d'un r6frig6rateur ä detente de Joule-Thompson, de type com- mercial, et le bain d'irradiation, alors gue le circuit auxi- liaire contient de 1'azote ä 700 K circulant entre un 6changeur_refroidi par les vapeurs de 1'6tage de refroi- dissement du meme r6frig6rateur et 1'6cran thermique du dispositif d'irradiation. Une puisssance frigorifique de 200 W ä 200 K est ainsi disponible au niveau du bain d'irradiation.

Dans une Gutre application utilisant un cryog6n6ra- teur commercial ä cycle de Stirling, an fait circuler du néon à 270 K dans le circuit primaire, l'échangeur de l'étage supérieur du cryogénéraieur délivrant une puis sance frigorifique de 150 W à 270 K, tandis que plus de 300 W de puissance frigorifique à 770 K restent dispo nibles au niveau de l'échangeur de l'étage inférieur du cryogénérateur et sont utilisés dans le circuit auxiliaire d'écran thermique.

Claims (1)

1. REVENDICATION Dispositif cryogénique d'irradiation, à basse tempéra ture, d'un échantillon de matière, selon la revendica tion II du brevet principal,, caractérisé en ce que l'échan geur thermique de condensation des vapeurs émises par le bain du premier fluide cryogénique est constitué par le point froid d'un réfrigérateur, comprenant un circuit interne parcouru par un fluide capable de liquéfier un fluide cryogénique circulant dans un circuit extérieur au réfrigérateur lors de son passage dans ledit échangeur de chaleur. SOUS-REVENDICATION Dispositif selon la revendication, caractérisé en ce que le réfrigérateur est constitué par un cryogénérateur parcouru par le second fluide dans un étage supérieur et au moins un étage inférieur, les différents étages four nissant des points froids à températures différentes, le point froid de l'étage supérieur constituant ledit échan geur, tandis que le point froid de l'étage inférieur consti tue un échangeur de chaleur entre le circuit interne et des circuits auxiliaires constituant un écran thermique pour ladite enceinte étanche.