EP0147304B1 - Générateur de vapeur sodium-eau à tubes concentriques droits et à circulation de gaz dans l'espace annulaire - Google Patents

Générateur de vapeur sodium-eau à tubes concentriques droits et à circulation de gaz dans l'espace annulaire Download PDF

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EP0147304B1
EP0147304B1 EP84402629A EP84402629A EP0147304B1 EP 0147304 B1 EP0147304 B1 EP 0147304B1 EP 84402629 A EP84402629 A EP 84402629A EP 84402629 A EP84402629 A EP 84402629A EP 0147304 B1 EP0147304 B1 EP 0147304B1
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EP
European Patent Office
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tube
steam generator
tubes
admission
intermediate fluid
Prior art date
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Application number
EP84402629A
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German (de)
English (en)
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EP0147304A2 (fr
EP0147304A3 (en
Inventor
Zéphyr Tilliette
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/18—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters
    • F01K3/181—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using nuclear heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/06—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being molten; Use of molten metal, e.g. zinc, as heat transfer medium
    • F22B1/063—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being molten; Use of molten metal, e.g. zinc, as heat transfer medium for metal cooled nuclear reactors
    • F22B1/066—Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being molten; Use of molten metal, e.g. zinc, as heat transfer medium for metal cooled nuclear reactors with double-wall tubes having a third fluid between these walls, e.g. helium for leak detection

Definitions

  • a sodium-water heat exchanger of this type is already known (FR-A-1 501 741).
  • this exchanger the liquid metal and the water are separated from each other by a space arranged to contain an intermediate heat transfer fluid.
  • the exchanger comprises a cylindrical barrel 30 closed at each of its ends by a thick tube plate 22, 25.
  • a convex bottom 41, 42 is attached to each tube plate.
  • Intermediate tube plates 31 and 32 are arranged in the barrel 30 between the plates 22 and 25.
  • a bundle of straight double-walled tubes extends between the plates 31 and 32.
  • the liquid metal, for example sodium circulates externally to the bundle of double-walled tubes.
  • the tube plate and the plate 22 define an inlet chamber for the intermediate fluid.
  • the tube plate 32 and the tube plate 25 determine a discharge chamber for this intermediate fluid.
  • An inlet connection 35 in the intake chamber is fixed to the barrel.
  • An evacuation connector 36 leaving the evacuation chamber of the intermediate fluid is fixed to this same barrel.
  • the inlet connector 35 is connected to the reservoir of a heat transfer fluid forming a static barrier which fills the interior of the envelope parts 33, 34, as well as the space between the exterior tubes 49 and the interior tubes. 46.
  • the inlet fitting can be used to adjust the volume of the intermediate fluid.
  • the outlet connector 36 is connected to a suitable draining means.
  • the transfer fluid can be a liquid metal, for example sodium or a mixture of sodium and potassium, lead, bismuth, lithium or a eutectic of lead and bismuth.
  • the intermediate fluid is static. Heat exchange by convection being practically nonexistent, the heat exchange is essentially by conduction and it is necessary that the intermediate fluid has a very good thermal conductivity. Consequently, the intermediate fluid is necessarily a liquid, and preferably a liquid metal.
  • the present invention relates to a vapor generator of the liquid metal-water type comprising a dynamic intermediate fluid, a gas instead of a liquid.
  • the steam generator of the invention is characterized in that the intermediate fluid circulates between the internal tubes and the external tubes, the evacuation chamber of the intermediate fluid being connected to the inlet of a small exchanger heat associated with this generator, the intermediate fluid inlet chamber being connected to the outlet of this same exchanger.
  • the steam generator is also characterized in that the intermediate fluid is a gas (or a mixture of gases) under chemically neutral pressure such as helium which effectively separates sodium from water-vapor and in that this gas circulates actively and thus ensures thermal transfers by convection.
  • the generator of the invention avoids having to resort to an intermediate sodium-sodium circuit. This therefore results in a significant simplification of the nuclear installation. Furthermore, it satisfactorily solves the main difficulty encountered in the production of a steam generator of this type, namely the separation of sodium and water effectively. We know that water and sodium react violently with each other; it is therefore necessary to prevent their mixing. The presence of a chemically pure and pressurized intermediate gas between water and sodium constitutes an effective barrier. The gas does not cause a large excess thickness of the tube which contains it. In addition, the pressure of the intermediate gas being roughly the average between that of sodium and steam, there is a happy staging for the proper use of structures and materials.
  • heat transmission it is the convection of the intermediate fluid circulating in the annular space which is the determining factor.
  • the heat transfer coefficient through this double wall compares favorably with that of pre-stressed double wall tube steam generators (Westinghouse, General Electric).
  • a tube generator prestressed is described in the journal “Nuclear Technology, vol 55, Nov. 1981”.
  • the circulation of the intermediate gas implies an external heat exchange because this gas carries a thermal power of the order of 6 to 7% of the total thermal power. This energy is effectively used as a heating supplement to the steam cycle and, more particularly, to the reheating of medium pressure steam after high pressure expansion.
  • the steam generator of the invention allows trapping of water leaks on the helium circuit and even its operation with moderate water leaks.
  • This concept with a small external loop allows better power adjustment possibilities, better operating conditions at partial load of the reactor.
  • the “small” intermediate circuit with gas circulation has variable speed blowers acting on the flow rate, means of pressure variation and regulation by-pass bypass, which is usual on such circuits. It can therefore be adapted to any level of operation and there are thus flexible means of action complementary to those existing on the one hand on the primary sodium circuit and; on the other hand, on the water-steam circuit.
  • the reheated HP vapor is maintained at an approximately constant temperature by helium, which avoids thermal transients and significantly reduces the decrease in the thermodynamic efficiency of the steam cycle.
  • the tube bundle can be produced with standard manufacturing and tolerance tubes. This represents a clear advantage compared to double-walled tubes with mechanical connection by prestressing which require special tolerances, therefore much more expensive tubes.
  • the materials used are common and well known, in particular as regards the internal water-vapor tube for which creep is not to be feared at its operating temperature of approximately 400 ° C.
  • the steam generator comprises four plates with tubes sotuted two by two on either side of the heat exchange zone. Namely, in the upper part of the generator, a first and a second plate and in the lower part a third and a fourth plate.
  • the intermediate fluid inlet chamber is delimited by the third and fourth tube plates while the intermediate fluid discharge chamber is delimited by the first and second tube plates.
  • the outer tubes are connected to the first and third tube plates, the inner tubes to the second and fourth tube plates.
  • An intermediate fluid intake pipe being connected to the casing in the intake chamber; an evacuation pipe being connected to the casing in the evacuation chamber.
  • Such a steam generator allows a better adjustment between the circulation and heat exchange conditions relating to both water-vapor and helium, the intermediate fluid on the one hand, the intermediate fluid and the liquid metal of somewhere else. It allows to better adapt the diameters of the water vapor and helium veins. Furthermore, it allows a reduction in the exchange length by increasing the diameters of the sodium-helium and helium-water tubes.
  • fins are provided in the annular space where the intermediate fluid circulates, which further reduces the exchange length.
  • each of the internal tubes can expand freely and individually as in the first embodiment, but especially in this configuration each external sodium-intermediate gas tube can also expand freely and individually. This feature improves the functional and mechanical reliability of the steam generator.
  • FIG. 1 a general view of a nuclear installation comprising a nuclear reactor cooled by a liquid metal, for example sodium.
  • a nuclear boiler such as, for example, that of the French Super Phoenix reactor has a primary sodium circuit, which includes the core of the reactor and transports the heat released by the latter in intermediate exchangers; a secondary circuit whose purpose is to avoid any interaction between the radioactive primary sodium and the water-vapor. This secondary circuit transports heat from the intermediate exchangers to the steam generators.
  • the boiler includes a water / steam circuit which starts from the generators and supplies the turbo-alternator groups.
  • the secondary sodium circuit does not exist.
  • Primary sodium is introduced directly into the steam generator in which it transmits most of its heat (92-93%) to the water to be vaporized.
  • the heart 10 is contained in a tank 11 filled with a liquid metal such as sodium.
  • the tank 11 is housed in a concrete tank well 12 forming part of the reactor building 16.
  • Pumps 18 send the primary sodium inside the steam generators.
  • the steam generators 15 are divided into four groups of several steam generators. Each group of generators is supplied by a primary sodium pump 18. After passing through the steam generators, the sodium returns to the tank 11 to return to the core 10 and the cycle resumes.
  • the turbine 22 comprises a high pressure stage 22a, a medium pressure stage 22b and a low pressure stage 22c. It drives an alternator 24.
  • the steam is sent via the pipe 23 into the high pressure stage 22a. At the outlet of this section, it is sent to a dryer 24 and then to a medium-pressure reheating 26 by steam extraction.
  • the steam then passes through a second medium-pressure reheating 30 which uses the heat of the intermediate fluid heated in the steam generator.
  • the steam is then directed to the medium pressure stage 22b of the turbine by the pipe 32, then to the low pressure stage 22c by the pipe 34.
  • the steam is condensed in the condenser 35.
  • a refrigerant atmospheric 38 constitutes the cold source 35 associated with the condenser 35.
  • the condensed water returns to the steam generator via the pipe 37. It can be seen that, in this figure, the pipe 37 ends at the top of the generator. It could however also be connected to its base.
  • the installation also includes a pressurized gas circuit with low thermal power (6 to 7% of total power).
  • this gas is helium.
  • This choice has several advantages: helium is chemically neutral. It does not react with sodium or with water. It does not require the use of steels different from those commonly used at the high operating temperatures of a generator of this type. It has good thermal and thermodynamic characteristics. Its thermal conductivity is significantly higher than that of air or carbon dioxide, its specific heat is more than four times that of liquid sodium, but its specific mass is 120 to 150 times lower.
  • Helium can be used on an industrial scale. Its flow places little stress on structures. In the case of its use in an auxiliary exchanger placed in a reactor vessel, one takes advantage of the advantage that it does not absorb the neutrons.
  • Helium is introduced at the base of the steam generator through line 25. It emerges at its upper part. It is brought to the medium-pressure superheater 30 by the pipe 27. In this superheater 30, which is the external exchanger associated with the generatur 15, the helium gives up the relatively small amount of heat which it has stored by passing through the generator 15. The cooled helium returns to the steam generator.
  • FIG. 2 a steam generator 1 produced in accordance with the invention, connected to a heat exchanger 30 which constitutes an apparatus which provides additional heat to the steam cycle, medium pressure steam reheating by means of the small intermediate helium circuit .
  • the steam generator comprises a casing 40 of cylindrical longitudinal shape with a straight section and having a vertical longitudinal axis X-X.
  • the envelope is closed at its upper part by a domed bottom 40a and at its lower part by a bottom 40b. It is divided into three parts along the longitudinal axis, namely a heat exchange zone between the first and second fluids, a first intake-evacuation zone for these two fluids, and a second inlet-outlet for these same fluids.
  • the admission-evacuation zones are located on either side of the exchange zone.
  • intake-exhaust zone is meant an area into which the fluids are introduced and / or discharged.
  • the reference 42a designates the first intake-exhaust zone, located at the top of the generator.
  • the central exchange zone is designated by the reference 42b.
  • the second intake-exhaust zone 42c is located at the base of the steam generator.
  • a generator such as that of the invention, which uses three fluids, there are three intake orifices and three evacuation orifices for these fluids, ie a total of six intake or evacuation pipes. These pipes are distributed between the two intake-exhaust zones 42a and 42c.
  • the sodium is brought via line 13 to the upper part of the exchange zone 42b. It circulates from top to bottom in this exchange zone before exiting at the bottom by the pipe 14 to return to the reactor core.
  • the intermediate gas that is to say helium
  • the helium flows from bottom to top against the current by compared to the heating fluid that is sodium. It is evacuated from the steam generator in zone 42a. It is led by the pipe 27 to the exchanger 30 in which it is cooled. The cooled helium is introduced again at the base of the steam generator after being recompressed by a blower 31.
  • the internal volume delimited by the envelope 40 is divided into several chambers by thick steel plates arranged perpendicular to the longitudinal axis X-X of the envelope and axially spaced. These plates delimit interior volumes separated from each other. These plates are pierced with distributed orifices, in which tubes are fixed.
  • the generator has four plates. First and second tube plates are arranged at the top of the generator.
  • the first tube plate 50 constitutes the limit between the central exchange zone 42b and the upper intake-evacuation zone 42a.
  • the second tube plate 52 is located above the first plate 50.
  • the plate 54 constitutes the limit between the central exchange zone 42b and the intake-evacuation zone 42c.
  • the plate 56 is located under the plate 54.
  • the plate 52 delimits with the upper bottom 40a of the envelope 40 an interior volume 58.
  • the plate 50 and the plate 52 axially spaced define between them a volume 60.
  • the plate 50 and the plate 54 delimit between them the volume 62 which constitutes the actual exchange zone.
  • the plate 54 and the plate 56 delimit between them a volume 64.
  • the plate 56 delimits with the lower bottom of the envelope a volume 68.
  • the steam generator also includes a bundle of tubes distributed in a cross section. More precisely, the tube bundle is made up of two series of tubes, a series of internal tubes and a series of external tubes arranged coaxially.
  • the upper end of each internal tube 70 is fixed to the plate 52. Its lower end is fixed to the tube plate 56.
  • the upper end of each external tube 72 is fixed to the tube plate 50.
  • the lower end of each external tube 72 is fixed to the tube plate 54.
  • Water is introduced into chamber 68 which forms a water box at the lower part of the generator via line 37; it enters the tubes 70 in which it flows from bottom to top (arrow 76) it emerges from the tubes 70 (arrow 78) in the form of vapor in the chamber 58 which constitutes an evacuation collector.
  • the intermediate fluid namely helium
  • the helium enters the annular space between the internal tubes 70 and the external tubes 72.
  • a wire 80 is wound in a spiral around the internal tubes 70. This wire has a function of centering the inner tube relative to the outer tube.
  • the resulting helix effect lengthens the path of the intermediate fluid, increases turbulence and therefore improves the heat exchange between the gas and respectively the sodium and the water-vapor.
  • This device can be replaced or supplemented by fins on the outer surface of the inner tube.
  • the hot helium is collected in the evacuation chamber 60 before being directed to the heat exchanger 30.
  • the hot sodium is brought via line 13 to the upper part of the exchange zone 42b. It is distributed around the internal ferrule 82 by means of an annular chamber 84. It crosses the ferrule 82 at its upper part and flows from top to bottom between the external tubes 72. At the lower part of the exchange zone 42b , the sodium passes under the shell 82; it is collected in the annular space 86 before being evacuated from the generator by the pipe 14.
  • the heat exchanger 30 is a conventional type exchanger. It comprises an outer casing 100 having a domed upper bottom 102 and a lower bottom 104 also domed. Inside the envelope 100 there is an upper tube plate 106 and a lower tube plate 108. The tube plate 106 defines with the bottom 102 an inlet chamber 110 for helium. The tube plate 106 and the tube plate 108 delimit between them a heat exchange zone between helium and the medium pressure vapor coming from the turbine. The tube plate 108 defines with the bottom 104 an evacuation chamber 114 for helium. Inside the envelope 100, between the plates 106 and 108 is a bundle of tubes 116. The tubes are fixed at one end to the plate 106 and at the other end to the plate 108.
  • the helium enters the interior of the tubes 116 (arrow 120). It runs through these tubes from top to bottom and exits at the bottom of the exchanger (arrow 122) in the evacuation chamber 114. Steam is introduced into the bottom of the exchange zone by the line 124. It flows between the tubes from bottom to top and exits at the top of the exchange zone via the pipe 126.
  • This description of the exchanger 30 is given only by way of example because this device is suitable for d other embodiments.
  • FIG. 5 a vertical sectional view of a second embodiment of a steam generator according to the invention and, in Figures 3 and 4, a schematic view which gives the principle of an elementary tubular cell.
  • Fig. 4 is a sectional view along line IV-IV of FIG. 3 of this tube shown on an even larger scale.
  • the internal volume delimited by the envelope 40 is divided into several chambers by thick steel plates arranged perpendicular to the longitudinal axis XX of the envelope and axially spaced. These plates delimit volumes separated from each other. They are pierced with distributed orifices in which tubes are fixed.
  • the generator comprises three plates arranged in a cross section of the envelope. These plates are respectively the plate 50, said first plate, to which is fixed one end of the external tubes 72, the plate 52, said second plate, to which is fixed one end of the internal tubes 70 and a third plate 130 more axially spaced from the central area as the plates 50 and 52.
  • the plate 130 is the upper bottom of the generator. It is surmounted by an extension of the cylindrical envelope 40.
  • the plate 130 and the plate 52 determine between them a chamber 58 for the evacuation of the steam.
  • the plate 50 and the plate 52 determine between them a helium evacuation chamber 60.
  • the first plate 50 determines, with the lower curved bottom 40b of the envelope, the volume 62 which constitutes the exchange zone of the steam generator.
  • the steam generator also has one or more small tube plates 133. These plates are much smaller in diameter than the plates 50, 52 or 130. In practice there are several identical plates 133. The plane of these plates is parallel to the longitudinal axis XX of the steam generator. They are located at the top of the latter on the side wall of the envelope 40. A water box 133a with its inlet pipe 37 is fixed to each plate 133.
  • the generator also has tube plates 134 much smaller in diameter than the plates 50, 52 or 130. They are located at the bottom of the generator and distributed over the wall of the envelope 40. A helium box 134a with its helium inlet pipe 25 is fixed to each plate 134.
  • the intake-evacuation zone 42a situated at the upper part of the generator extends substantially along its longitudinal axis to the first tube plate 50. Water is introduced into this zone.
  • the intermediate fluid, namely helium and vapor, are discharged into this area.
  • the central exchange zone 42b extends practically to the bottom bottom 40b of the exchanger.
  • Primary sodium is introduced at the top of this area.
  • the lower admission-evacuation zone 42c comprises the admission of helium via the line 25 and the evacuation of the primary sodium through the line 14.
  • this embodiment which relates to the concept of so-called “bayonet” tubes resides in the means which make it possible to bring the supply water from the top of the steam generator to the lower end of the zone d 'exchange. While in the embodiment of FIG. 2, these means consist of the tube plate 56 and the water box 68, arranged at the base of the steam generator, in the embodiment of FIGS. 3 to 5, the water is supplied from the upper part of the generator vapor at the bottom of each inner tube by a first tube 135 surrounded by a second tube 136. Each tube 135 has first and second ends. The first end is fixed to the tube plate 133 located at the upper lateral part of the casing 40 of the generator. Each tube 136 has a first and a second end.
  • the first end is fixed to the tube plate 130.
  • the second end of each tube 136 located at the bottom of the steam generator, is tightly connected to the second end of the tube 135 which it surrounds.
  • the walls of the tubes 135 and 136 delimit an annular space 138 opening at its upper part to the ambient air prevailing above the plate 130. This annular space is filled with a stagnant gas which constitutes an effective thermal insulation.
  • FIG. 4 an enlarged view in relation to FIG. 3 in section of a modular set of multiple tubes of the so-called “bayonet” plunger type presented in FIG. 3.
  • This assembly comprises four concentric tubes, respectively from the inside to the outside: the first tube 135, the second tube 136, the internal tube 70, the external tube 72.
  • the double tube constituted by the first and second tubes 135 and 136 expands freely at two ends. It is centered in the vapor stream by a helical wire (not shown) or other suitable means.
  • the internal tube may include fins 70a which have the purpose of increasing the heat exchange between the intermediate gas and the wall of the tube. The presence of fins makes it possible to shorten the length of the exchange zone 42a. Furthermore, the diameter of the inner tube 70 being larger, the exchange surface is increased. This is another factor which makes it possible to reduce the length of the exchange zone.
  • FIG. 5 an embodiment of the exchanger according to the principle set out with reference to Figures 3 and 4, but closer to an actual embodiment. While in fig. 3 there is shown only one dip tube with multiple walls on an enlarged scale, in order to distinguish the four tubes which constitute it, we have shown in FIG. 5 several of these tubes which constitute the bundle of the exchanger.
  • the bundle of tubes 136 is fixed to its upper part higher on the tube plate 130; the bundle of tubes 70 is fixed at its upper part to the tube plate 52; the bundle of outer tubes 72 is fixed at its upper part to the tube plate 50 and, at its lower part to the small side tube plates 134. Two of these plates have been shown in FIG. 5 but, in practice, they could be more numerous.
  • the water enters the upper part of the exchanger travels through the first tube in the vertical direction, from top to bottom, bypasses the end of the first and second tubes ( arrow 140 in fig. 3).
  • the steam generation stream is formed by the annular space between the tubes 70 and 72.
  • the vaporization is upward.
  • the evacuation of the steam is done from the top of the generator.
  • the air gap separating the water inlet tube and the vaporization stream plays the role of thermal insulation.
  • the sodium circulation is downward and external to the multiple tubes.
  • the circulation of helium is ascending.
  • the advantages of this embodiment are to allow a better adjustment between the circulation and heat exchange conditions relating to both water vapor and helium on the one hand, helium and sodium on the other go. It also allows a reduction in the exchange length by increasing the diameters of the sodium-helium and especially helium-water tubes. This leads to a reduction in the exchange length. This length is further reduced by the presence of fins.
  • the water supply tubes namely the tubes 135, can expand freely and individually.
  • the internal water / vapor tube 70 fixed at one end to the tube plate 52 and closed at its other end, can expand freely.
  • the external tubes 72 individually connected to the tube plates 134 by elbows can also expand freely and individually.
  • the use of the chemically neutral gas that is helium can extend to the cooling functions of the shutdown reactor, that is to say for the cooling of the primary sodium when the main pumps no longer operate.
  • the intermediate helium circuit of the steam generator described in the invention is connected as shown in FIG. 6, to an exchanger 150 designed to cool the reactor when it is stopped and placed in bypass on the pipe 27 for evacuating the intermediate fluid from the generator 15 and on the inlet pipe 25 for the intermediate fluid in this generator.
  • an exchanger 150 designed to cool the reactor when it is stopped and placed in bypass on the pipe 27 for evacuating the intermediate fluid from the generator 15 and on the inlet pipe 25 for the intermediate fluid in this generator.
  • a bypass of the intermediate helium circuit connected to a heat exchanger 151 placed in the reactor vessel can also be used together and others are possible.
  • helium has many advantages for this function. It is chemically neutral, leads to moderate heat exchange coefficients, therefore to transients and less severe thermal shocks. It does not activate under neutron radiation, it is easily purified. The final rejection of heat can be on water or on air. However, the exchanger will be more compact in the first case.

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Description

  • L'invention concerne un générateur de vapeur pour le transfert indirect de chaleur entre un premier fluide constitué par un métal liquide et un deuxième fluide constitué par de l'eau, au moyen d'un fluide intermédiaire, le générateur de vapeur comprenant:
    • une enveloppe présentant un axe longitudinal, ladite enveloppe comportant une zone d'échange de chaleur entre Je premier et le second fluides et une première et une deuxième zones d'admission- évacuation pour ces fluides, les première et seconde zones étant situées de part et d'autre de la zone d'échange;
    • un faisceau de tubes, chaque tube comportant un tube interne disposé dans un tube externe coaxialement à celui-ci, une extrémité de chaque tube externe étant raccordée à la première plaque à tubes et une extrémité de chaque tube interne étant raccordée à la deuxième plaque à tubes,
    • un orifice d'admission et un orifice d'évacuation étant prévus dans l'enveloppe pour le métal liquide, ce métal liquide circulant à l'extérieur des tubes externes,
    • au moins une chambre d'admission pour l'eau, l'eau étant introduite dans les tubes internes, au moins une chambre d'évacuation pour la vapeur,
    • au moins une chambre d'admission pour le fluide intermédiaire, ce fluide intermédiaire étant présent entre les tubes externes et internes,
    • au moins une chambre d'évacuation pour le fluide intermédiaire.
  • On connaît déjà un échangeur de chaleur sodium- eau de ce type (FR-A-1 501 741). Dans cet échangeur, le métal liquide et l'eau sont séparés l'un de l'autre par un espace disposé pour contenir un fluide intermédiaire de transfert de chaleur.
  • L'échangeur comporte un fût cylindrique 30 fermé à chacune de ses extrémités par une plaque à tubes épaisses 22, 25. Un fond bombé 41, 42 est accolé à chaque plaque à tubes. Des plaques à tubes intermédiaires 31 et 32 sont disposées dans le fût 30 entre les plaques 22 et 25. Un faisceau de tubes droits à double paroi s'étend entre les plaques 31 et 32. Le métal liquide, par exemple du sodium, circule extérieurement au faisceau des tubes à double paroi. La plaque à tubes et la plaque 22 délimitent une chambre d'entrée pour le fluide intermédiaire. La plaque à tubes 32 et la plaque à tubes 25 déterminent une chambre d'évacuation pour ce fluide intermédiaire. Un raccord d'entrée 35 dans la chambre d'admission estfixé sur le fût. Un raccord d'évacuation 36 de sortie de la chambre d'évacuation du fluide intermédiaire est fixé à ce même fût. Le raccord d'entrée 35 est relié au réservoir d'un fluide de transfert de chaleur formant une barrière statique qui remplit l'intérieur des parties d'enveloppe 33, 34, ainsi que l'espace entre les tubes extérieurs 49 et les tubes intérieurs 46. Le raccord d'entrée peut être utilisé pour ajuster le volume du fluide intermédiaire. Le raccord de sortie 36 est relié à un moyen de vidange convenable. Le fluide de transfert peut être un métal liquide, par exemple du sodium ou un mélange de sodium et de potassium, du plomb, du bismuth, du lithium ou un eutectique de plomb et de bismuth.
  • Cependant, dans un échangeur de ce type, le fluide intermédiaire est statique. Les échanges thermiques par convection étant pratiquement inexistants, l'échange de chaleur se fait essentiellement par conduction et il est nécessaire que le fluide intermédiaire possède une très bonne conductivité thermique. Par suite, le fluide intermédiaire est nécessairement un liquide, et de préférence, un métal liquide.
  • La présente invention a pour objet un générateur de vapeur du type métal liquide-eau comportant un fluide intermédiaire dynamique, un gaz au lieu d'un liquide.
  • De manière plus précise, le générateur de vapeur de l'invention est caractérisé en ce que le fluide intermédiaire circule entre les tubes internes et les tubes externes, la chambre d'évacuation du fluide intermédiaire étant reliée à l'entrée d'un petit échangeur de chaleur associé à ce générateur, la chambre d'admission du fluide intermédiaire étant reliée à la sortie de ce même échangeur. Le générateur de vapeur est également caractérisé en ce que le fluide intermédiaire est un gaz (ou un mélange de gaz) sous pression chimiquement neutre tel que l'hélium qui sépare efficacement le sodium de l'eau-vapeur et en ce que ce gaz circule activement et assure ainsi des transferts thermiques par convection.
  • Les avantages de l'invention sont nombreux et importants. Tout d'abord et en ce qui concerne la majeure partie de la puissance thermique échangée, le générateur de l'invention évite d'avoir recours à un circuit intermédiaire sodium-sodium. In en résulte donc une simplification importante de l'installation nucléaire. Par ailleurs, il résout de manière satisfaisante la principale difficulté que l'on rencontre dans la réalisation d'un générateur de vapeur de ce type, à savoir la séparation du sodium et de l'eau de manière efficace. On sait en effet que l'eau et le sodium réagissent violemment l'un surl'autre; il est donc nécessaire de prévenir leur mélange. La présence d'un gaz intermédiaire chimiquement pur et sous pression entre l'eau et le sodium constitue une barrière efficace. Le gaz n'entraîne pas une forte surépaisseur du tube qui le contient. Par ailleurs, la pression du gaz intermédiaire étant à peu près la moyenne entre celle du sodium et de la vapeur, il existe un étagement heureux pour la bonne utilisation des structures et des matériaux. Une fuite d'eau/vapeur, même significative, serait diluée et entraînée dans le circuit d'hélium qui est naturellement équipé d'un dispositif d'élimination d'eau de conception classique. En cas exceptionnel de fuite simultanée sur le tube d'hélium et sur le tube d'eau-vapeur correspondant, la dilution de cette eau- vapeur dans l'hélium soumis à une circulation intense serait telle que les effets sur le sodium seraient fortement atténués.
  • En ce qui concerne la transmission de chaleur, c'est la convection du fluide intermédiaire en circulation dans l'espace annulaire qui en est le facteur déterminant. Le coefficient de transmission de chaleur à travers cette paroi double se compare favorablement à celui des générateurs de vapeur à tubes à double paroi précontraints (Westinghouse, General Electric). A titre d'exemple, un générateur à tubes précontraints est décrit dans la revue «Nuclear Tech- nology, vol 55, Nov. 1981 ». Cependant, la circulation du gaz intermédiaire implique un échange thermique extérieur car ce gaz emporte une puissance thermique de l'ordre de 6 à 7% de la puissance thermique totale. Cette énergie est efficacement utilisée comme complément de chauffage au cycle à vapeur et, plus particulièrement, à la resurchauffe de la vapeur moyenne pression après détente haute pression.
  • En outre, le générateur de vapeur de l'invention permet un piégeage des fuites d'eau sur le circuit d'hélium et même son fonctionnement avec des fuites d'eau modérées. Ce concept à petite boucle extérieure permet de meilleures possibilités de réglage de puissance, de meilleures conditions de fonctionnement à charge partielle du réacteur.
  • Le «petit» circuit intermédiaire à circulation de gaz dispose de soufflantes à vitesse variable agissant sur le débit, de moyens de variation de pression et de dérivations de réglage par by-pass, ce qui est habituel sur de tels circuits. On peut donc l'adapter à tout niveau de fonctionnement et on dispose ainsi de moyens d'action souples complémentaires à ceux existant d'une part sur le circuit primaire de sodium et; d'autre part, sur le circuit eau-vapeur.
  • En ce qui concerne l'amélioration des conditions de fonctionnement à charge partielle, elle porte plus particulièrement sur la resurchauffe moyenne pression (resurchauffeur et entrée turbine HP). Dans le cas classique de resurchauffe par soutirage, les températures baissent à mesure que la charge diminue (diminution de la pression de soutirage). Dans l'invention, la vapeur HP resurchauffée est maintenue à une température à peu près constante par l'hélium, ce qui évite des transitoires thermiques et réduit sensiblement la diminution du rendement thermodynamique du cycle à vapeur.
  • Les sollicitations mécaniques et thermiques sont sensiblement atténuées en continu (vapeur HP à 12-14 MPa/400°C environ au lieu de 19 MPa/490°C) comme en transitoire (moindre efficacité thermique du gaz).
  • Le faisceau de tubes peut être réalisé avec des tubes de fabrication et de tolérance courantes. Ceci représente un net avantage par rapport aux tubes à double paroi à liaison mécanique par précontrainte qui nécessitent des tolérances spéciales, donc des tubes beaucoup plus coûteux. Les matériaux employés sont courants et bien connus, en particulier en ce qui concerne le tube interne d'eau-vapeur pour lequel le fluage n'est pas à craindre à sa température de fonctionnement d'environ 400°C.
  • Selon une première réalisation le générateur de vapeur comporte quatre plaques à tubes sotuées deux par deux de part et d'autre de la zone d'échange thermique. A savoir, en partie haute du générateur, une première et une deuxième plaques et en partie basse une troisième et une quatrième plaques. La chambre d'admission du fluide intermédiaire est délimitée par la troisième et la quatrième plaques à tubes alors que la chambre d'évacuation du fluide intermédiaire est délimitée par la première et la seconde plaques à tubes. Les tubes externes sont raccordés aux première et troisième plaques à tubes, les tubes internes aux deuxième et quatrième plaques à tubes. Une canalisation d'admission du fluide intermédiaire étant raccordée à l'enveloppe dans la chambre d'admission; une canalisation d'évacuation étant raccordée à l'enveloppe dans la chambre d'évacuation.
  • Selon une deuxième réalisation particulière, le générateur de vapeur comporte:
    • une plaque à tubes dite «cinquième plaque à tubes», plus espacée axialement de la zone d'échange que la deuxième plaque à tubes, la cinquième plaque à tubes et la deuxième plaque à tubes délimitant une chambre d'évacuation de la vapeur,
    • un premier et un deuxième tubes étant disposés à l'intérieur de chaque tube interne, le premier tube étant lui-même disposé à l'intérieur du deuxième tube, une extrémité du premier tube étant raccordée à une petite plaque à tubes, elle-même solidaire d'une boîte à eau, une extrémité de chaque deuxième tube étant raccordée à la cinquième plaque à tubes, la deuxième extrémité des premier et deuxième tubes étant reliée de manière étanche de façon à déterminer une chambre annulaire qui contient un gaz, qui peut être de l'air,
    • chaque tube interne étant fermé sur son extrémité inférieure,
    • chaque tube externe étant raccordé à une petite plaque à tubes, elle-même solidaire d'une boîte à hélium.
  • Un tel générateur de vapeur permet un meilleur ajustement entre les conditions de circulation et d'échange thermique concernant à la fois l'eau- vapeur et l'hélium, le fluide intermédiaire d'une part, le fluide intermédiaire et le métal liquide d'autre part. Il permet de mieux adapter les diamètres des veines d'eau-vapeur et d'hélium. Par ailleurs, il permet une réduction de la longueur d'échange par l'augmentation des diamètres des tubes sodium-hélium et hélium-eau. Dans une variante de réalisation, on prévoit des ailettes dans l'espace annulaire où circule le fluide intermédiaire, ce qui permet de réduire encore la longueur d'échange.
  • Enfin, pointtrès important, chacun des tubes internes peut se dilater librement et individuellement comme dans la première réalisation, mais surtout dans cette configuration chaque tube externe sodium-gaz intermédiaire peut également se dilater librement et individuellement. Cette caractéristique améliore la fiabilité fonctionnelle et mécanique du générateur de vapeur.
  • Les possibilités d'accès aux extrémités des tubes d'arrivée d'eau et d'hélium sont améliorées grâce à la présence des boîtes à eau et à hélium latérales (implantation de diaphragmes ou obturation de tubes fuitards).
  • L'invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide de dessins représentant seulement un mode de d'exécution:
    • la fig. 1 est une vue schématique de l'ensemble d'une installation de production d'électricité au moyen d'un réacteur nucléaire qui utilise un générateur de vapeur réalisé conformément à l'invention,
    • la fig. 2 est une vue schématique en coupe d'un premier mode de réalisation d'un générateur de vapeur de l'invention représenté avec un échangeur de chaleur associé pour le refroidissement du fluide intermédiaire,
    • la fig. 3 est une vue schématique en coupe verticale d'un autre mode de réalisation d'un générateur de vapeur réalisé conformément à l'invertion,
    • la fig. 4 représente une section selon la ligne IV-IV de la fig. 3 d'un tube à parois multiples du faisceau de tubes de l'échangeur de la fig. 3,
    • la fig. 5 est une vue en coupe verticale du mode de réalisation du générateur de vapeur représenté sur les figures 3 et 4,
    • la fig. 6 est une vue schématique montrant un dispositif de refroidissement du réacteur à l'arrêt utilisant les avantages du circuit d'hélium.
  • On a représenté sur la fig. 1 une vue d'ensembre d'une installation nucléaire comportant un réacteur nucléaire refroidi par un métal liquide, par exemple du sodium.
  • D'une manière classique, une chaudière nucléaire comme par exemple celle du réacteur français Super Phénix comporte un circuit de sodium primaire, qui comprend le coeur du réacteur et transporte la chaleur que dégage ce dernier dans des échangeurs intermédiaires; un circuit secondaire dont le but est d'éviter toute interaction entre le sodium primaire radioactif et l'eau-vapeur. Ce circuit secondaire transporte la chaleur des échangeurs intermédiaires jusqu'aux générateurs de vapeur. Enfin, la chaudière comprend un circuit eau/vapeur qui part des générateurs et alimente les groupes turbo-alternateurs.
  • Dans le cas de l'invention, le circuit de sodium secondaire n'existe pas. Le sodium primaire est introduit directement dans le générateur de vapeur dans lequel il transmet la majeure partie de sa chaleur (92-93%) à l'eau à vaporiser.
  • Comme représenté sur la fig. 1, le coeur 10 est contenu dans une cuve 11 remplie d'un métal liquide tel que le sodium. La cuve 11 est logé dans un puits de cuve 12 en béton faisant partie du bâtiment réacteur 16. Des pompes 18 envoient le sodium primaire à l'intérieur des générateurs de vapeur. Dans l'exemple représenté, les générateurs de vapeur 15 sont répartis en quatre groupes de plusieurs générateurs de vapeur. Chacun des groupes de générateurs est alimenté par une pompe de sodium primaire 18. Après son passage dans les générateurs de vapeur, le sodium retourne à la cuve 11 pour repasser dans le coeur 10 et le cycle reprend.
  • L'eau pénètre dans le générateur de vapeur 15 à l'état liquide et en ressort à l'état de vapeur pour pénétrer dans la turbine 22 du groupe turboalternateur. Comme on le verra par la suite, l'eau peut être introduite soit à la base du générateur, soit à sa partie supérieure. La turbine 22 comprend un étage haute pression 22a, un étage moyenne pression 22b et un étage basse pression 22c. Elle entraîne un alternateur 24. La vapeur est envoyée par la canalisation 23 dans l'étage haute pression 22a. A la sortie de cet égage, elle est envoyée dans un sécheur 24 puis dans une resurchauffe moyenne pression 26 par soutirage vapeur. Conformément à une caractéristique de l'invention, la vapeur traverse ensuite une deuxième resurchauffe à moyenne pression 30 qui utilise la chaleur du fluide intermédiaire réchauffé dans le générateur de vapeur. La vapeur est ensuite dirigée vers l'étage moyenne pression 22b de la turbine par la canalisation 32, puis vers l'étage basse pression 22c par la canalisation 34. La vapeur est condensée dans le condenseur 35. Dans l'exemple représenté, un réfrigérant atmosphérique 38 constitue la source froide 35 associée au condenseur 35. L'eau de condensation retourne au générateur de vapeur par la canalisation 37. On remarque que, sur cette figure, la canalisation 37 aboutit à la partie supérieure du générateur. Elle pourraît toutefois être raccordée également à sa base.
  • L'installation comporte encore un circuit de gaz sous pression de faible puissance thermique (6 à 7% de la puissance totale). De préférence, ce gaz est de l'hélium. Ce choix présente plusieurs avantages: l'hélium est chimiquement neutre. Il ne réagit ni avec le sodium ni avec l'eau. Il n'exige pas l'emploi d'aciers différents de ceux couramment utilisés aux températures de fonctinnement élevées d'un générateur de ce type. Il possède de bonnes caractéristiques thermiques et thermodynamiques. Sa conductivité thermique est sensiblement plus élevée que celle de l'air ou du gaz carbonique, sa chaleur spécifique est plus de quatre fois supérieure à celle du sodium liquide, mais sa masse spécifique est 120 à 150 fois plus faible. L'hélium est utilisable à échelle industrielle. Son écoulement sollicite peu les structures. Dans le cas de son utilisation dans un échangeur auxiliaire placé dans une cuve de réacteur, on profite de l'avantage qu'il n'absorbe pas les neutrons.
  • L'hélium est introduit à la base du générateur de vapeur par la canalisation 25. Il ressort à sa partie supérieure. Il est amené au resurchauffeur moyenne pression 30 par la canalisation 27. Dans ce resurchauffeur 30, qui est l'échangeur extérieur associé au génératur 15, l'hélium cède la quantité de chaleur relativement faible qu'il a emmagasiné en traversant le générateur 15. L'hélium refroidi retourne au générateur de vapeur.
  • On a représenté sur la fig. 2 un générateur de vapeur 1 réalisé conformément à l'invention, relié à un échangeur de chaleur 30 qui constitue un appareil qui apporte un complément de chaleur au cycle à vapeur, une resurchauffe de vapeur moyenne pression au moyen du petit circuit intermédiaire d'hélium. Le générateur de vapeur comporte une enveloppe 40 de forme longitudinale cylindrique à section droite et présentant un axe longitudinal X-X vertical. L'enveloppe est fermée à sa partie supérieure par un fond bombé 40a et à sa partie inférieure par un fond 40b. Elle est divisée en trois parties selon l'axe longituti- nal, à savoir une zone d'échange de chaleur entre le premier et le second fluides, une première zone d'admission-évacuation pour ces deux fluides, et une seconde zone d'admission-évacuation pour ces mêmes fluides. Les zones d'admission-évacuation sont situées de part et d'autre de la zone d'échange. Par zone d'admission-évacuation, il faut entendre une zone dans laquelle les fluides sont introduits et/ou évacués.
  • Dans l'exemple de réalisation représenté, la référence 42a désigne la première zone d'admission- évacuation, située à la partie supérieure du générateur. La zone centrale d'échange est désignée par la référence 42b. La deuxième zone d'admission- évacuation 42c est située à la base du générateur de vapeur. Dans un générateur tel que celui de l'invention, qui utilise trois fluides, il y a trois orifices d'admission et trois orifices d'évacuation pour ces fluides, soit au total six canalisations d'admission ou d'évacuation. Ces canalisations sont réparties entre les deux zones d'admission-évacuation 42a et 42c. Dans la réalisation représentée sur la fig. 2, le sodium est amené par la canalisation 13 à la partie supérieure de la zone d'échange 42b. Il circule de haut en bas dans cette zone d'échange avant de ressortir à la partie inférieure par la canalisation 14 pour retourner vers le coeur du réacteur.
  • L'eau est amenée par la canalisation 37 à la partie inférieure du générateur de vapeur. La vapeur est évacuée par la canalisation 23 à la partie supérieure du générateur.
  • Le gaz intermédiaire, c'est-à-dire l'hélium, est amené à la base du générateur de vapeur dans la zone d'admission-évacuation 42c par la canalisation 25. L'hélium circule de bas en haut à contre courant par rapport au fluide chauffant qu'est le sodium. Il est évacué du générateur de vapeur dans la zone 42a. Il est conduit par la canalisation 27 à l'échangeur 30 dans lequel il est refroidi. L'hélium refroidi est introduit à nouveau à la base du générateur de vapeur après avoir été recomprimé par une soufflante 31.
  • Le volume intérieur délimité par l'enveloppe 40 est divisé en plusieurs chambres par des plaques épaisses en acier disposées perpendiculairement à l'axe longitudinal X-X de l'enveloppe et espacées axialement. Ces plaques délimitent des volumes intérieurs séparés les uns des autres. Ces plaques sont percées d'orifices répartis, dans lesquels sont fixés des tubes. Dans l'exemple de réalisation représenté, le générateur comporte quatre plaques. Une première et une deuxième plaques à tubes sont disposées à la partie supérieure du générateur. La première plaque à tubes 50 constitue la limite entre la zone centrale d'échange 42b et la zone supérieure d'admission- évacuation 42a. La deuxième plaque à tubes 52 est située au-dessus de la première plaque 50.
  • A la partie inférieure du générateur, on trouve une troisième plaque 54 et une quatrième plaque 56. La plaque 54 constitue la limite entre la zone centrale d'échange 42b et la zone d'admission-évacuation 42c. La plaque 56 est située sous la plaque 54. La plaque 52 délimite avec le fond supérieur 40a de l'enveloppe 40 un volume intérieur 58. La plaque 50 et la plaque 52 espacées axialement délimitent entre elles un volume 60. La plaque 50 et la plaque 54 délimitent entre elles le volume 62 qui constitue la zone d'échange proprement dite. La plaque 54 et la plaque 56 délimitent entre elles un volume 64. Enfin, la plaque 56 délimite avec le fond inférieur de l'enveloppe un volume 68.
  • Le générateur de vapeur comporte également un faisceau de tubes répartis selon une section transversale. Plus précisément, le faisceau de tubes est constitué par deux séries de tubes, une série de tubes internes et une série de tubes externes disposés coaxialement. L'extrémité supérieure de chaque tube interne 70 est fixée à la plaque 52. Son extrémité inférieure est fixée à la plaque à tubes 56. L'extrémité supérieure de chaque tube externe 72 est fixée à la plaque à tubes 50. L'extrémité inférieure de chaque tube externe 72 est fixée à la plaque à tubes 54.
  • Le fait que les tubes du générateur sont droits conduit à des problèmes de dilatation différentielle entre le faisceau de ces tubes et l'enveloppe externe du générateur. Ces problèmes sont résolus d'une part par la présence d'une zone de souplesse 70a sur les tubes internes 70. Cette zone est prévue dans la chambre 64. Par ailleurs, un soufflet de dilatation 74 est prévu sur l'enveloppe 40 pour compenser les différences de dilatation entre le faisceau de tubes externes et l'enveloppe.
  • L'eau est introduite dans la chambre 68 qui forme une boîte à eau à la partie inférieure du générateur par la canalisation 37; elle pénètre dans les tubes 70 dans lesquels elle circule de bas en haut (flèche 76) elle ressort des tubes 70 (flèche 78) sous forme de vapeur dans la chambre 58 qui constitue un collecteur d'évacuation.
  • Le fluide intermédiaire, à savoir l'hélium, est introduit dans la chambre 64 d'admission. L'hélium pénètre dans l'espace annulaire compris entre les tubes internes 70 et les tubes externes 72. Avantageusement et à titre d'exemple, un fil 80 est enroulé en spirale autour des tubes internes 70. Ce fil a une fonction de centrage du tube interne par rapport au tube externe. D'autre part, l'effet d'hélice qui en résulte allonge le parcours du fluide intermédiaire, augmente la turbulence et donc améliore l'échange de chaleur entre le gaz et respectivement le sodium et l'eau- vapeur. Ce dispositif peut être remplacé ou complété par des ailettes sur la surface extérieure du tube interne. L'hélium chaud est recueilli dans la chambre d'évacuation 60 avant d'être dirigé vers l'échangeur de chaleur 30.
  • Le sodium chaud est amené par la canalisation 13 à la partie supérieure de la zone d'échange 42b. Il est réparti autour de la virole interne 82 au moyen d'une chambre annulaire 84. Il franchit la virole 82 à sa partie supérieure et circule de haut en bas entre les tubes externes 72. A la partie inférieure de la zone d'échange 42b, le sodium passe sous la virole 82; il est recueilli dans l'espace annulaire 86 avant d'être évacué hors du générateur par la canalisation 14.
  • L'échangeur de chaleur 30 est un échangeur de type classique. Il comporte une enveloppe externe 100 présentant un fond supérieur 102 bombé et un fond inférieur 104 également bombé. A l'intérieur de l'enveloppe 100 se trouvent une plaque à tubes supérieure 106 et une plaque à tubes inférieure 108. La plaque à tubes 106 délimite avec le fond 102 une chambre d'admission 110 pour l'hélium. La plaque à tubes 106 et la plaque à tubes 108 délimitent entre elles une zone d'échange de chaleur entre d'hélium et la vapeur moyenne pression provenant de la turbine. La plaque à tubes 108 délimite avec le fond 104 une chambre d'évacuation 114 pour l'hélium. A l'intérieur de l'enveloppe 100, entre les plaques 106 et 108 se trouve un faisceau de tubes 116. Les tubes sont fixés à une extrémité à la plaque 106 et à l'autre extrémité à la plaque 108. Ils sont régulièrement répartis et comportent une zone de souplesse 118 destinée à compenser les dilatations différentielles. L'hélium pénètre à l'intérieur des tubes 116 (flèche 120). Il parcourt ces tubes de haut en bas et ressort à la partie inférieure de l'échangeur (flèche 122) dans la chambre d'évacuation 114. La vapeur est introduite à la partie inférieure de la zone d'échange par la canalisation 124. Elle circule entre les tubes de bas en haut et ressort à la partie supérieure de la zone d'échange par la canalisation 126. Cette description de l'échangeur 30 n'est donnée qu'à titre d'exemple car cet appareil se prête à d'autres modes de réalisation.
  • On a représenté sur la fig. 5 une vue en coupe verticale d'un deuxième mode de réalisation d'un générateur de vapeur conforme à l'invention et, sur les figures 3 et 4, une vue schématique qui donne le principe d'une cellule tubulaire élémentaire. La fig. 4 est une vue en section selon la ligne IV-IV de la fig. 3 de ce tube représenté à une échelle encore plus grande.
  • Le volume intérieur délimité par l'enveloppe 40 est divisé en plusieurs chambres par des plaques épaisses en acier disposées perpendiculairement à l'axe longitudinal XX de l'enveloppe et espacées axialement. Ces plaques délimitent des volumes séparés les uns des autres. Elles sont percées d'orifices répartis dans lesquels sont fixés des tubes.
  • Dans le cas du mode de réalisation représenté sur les figures 3 et 5, le générateur comporte trois plaques disposées selon une section transversale de l'enveloppe. Ces plaques sont respectivement la plaque 50, dite première plaque, à laquelle est fixée une extrémité des tubes externes 72, la plaque 52, dite deuxième plaque, à laquelle est fixée une extrémité des tubes internes 70 et une troisième plaque 130 plus espacée axialement de la zone centrale que les plaques 50 et 52. La plaque 130 est le fond supérieur du générateur. Elle est surmontée par un prolongement de l'enveloppe cylindrique 40. La plaque 130 et la plaque 52 déterminent entre elles une chambre 58 pour l'évacuation de la vapeur. La plaque 50 et la plaque 52 déterminent entre elles une chambre 60 d'évacuation de l'hélium. La première plaque 50 détermine avec le fond bombé 40b inférieur de l'enveloppe le volume 62 qui constitue la zone d'échange du générateur de vapeur.
  • Le générateur de vapeur comporte encore une ou plusieurs petites plaque à tubes 133. Ces plaques sont beaucoup plus petites en diamètre que les plaques 50, 52 ou 130. En pratique il y a plusieurs plaques 133 identiques. Le plan de ces plaques est parallèle à l'axe longitudinal XX du générateur de vapeur. Elles sont situées à la partie supérieure de celui-ci sur la paroi latérale de l'enveloppe 40. Une boîte à eau 133a avec sa conduite d'arrivée 37 est fixée à chaque plaque 133.
  • Le générateur comporte encore des plaques à tubes 134 beaucoup plus petites en diamètre que les plaques 50, 52 ou 130. Elles sont situées à la partie inférieure du générateur et réparties sur la paroi de l'enveloppe 40. Une boîte à hélium 134a avec sa conduite d'arrivée d'hélium 25 est fixée à chaque plaque 134.
  • Dans cet exemple de réalisation, la zone d'admission-évacuation 42a située à la partie supérieure du générateur s'étend sensiblement selon son axe longitudinal jusqu'à la première plaque à tubes 50. L'eau est introduite dans cette zone. Le fluide intermédiaire, à savoir l'hélium et la vapeur, sont évacués dans cette zone. La zone centrale 42b d'échange s'étend pratiquement jusqu'au fond inférieur 40b de l'échangeur. Le sodium primaire est introduit à la partie supérieure de cette zone. La zone 42c d'admission-évacuation inférieure comporte l'admission d'hélium par la canalisation 25 et l'évacuation du sodium primaire par la canalisation 14.
  • La particularité de ce mode de réalisation qui se rattache au concept de tubes dits «à baïonnette» réside dans les moyens qui permettent d'amener depuis le haut du générateur de vapeur l'eau d'alimentation à l'extrémité inférieure de la zone d'échange. Alors que dans le mode de réalisation de la fig. 2, ces moyens sont constitués par la plaque à tubes 56 et la boîte à eau 68, disposées à la base du générateur de vapeur, dans le mode de réalisation des figures 3 à 5, l'eau est amenée depuis la partie supérieure du générateur de vapeur à la partie inférieure de chaque tube interne par un premier tube 135 entouré d'un second tube 136. Chaque tube 135 possède une première et une seconde extrémités. La première extrémité est fixée à la plaque à tubes 133 située à la partie supérieure latérale de l'enveloppe 40 du générateur. Chaque tube 136 présente une première et une seconde extrémité. La première extrémité est fixée à la plaque à tubes 130. La deuxième extrémité de chaque tube 136, située à la partie inférieure du générateur de vapeur, est reliée de manière étanche à la deuxième extrémité du tube 135 qu'il entoure. Les parois des tubes 135 et 136 délimitent un espace annulaire 138 débouchant à sa partie supérieure à l'air ambiant régnant au-dessus de la plaque 130. Cet espace annulaire est rempli d'un gaz stagnant qui constitue une isolation thermique efficace.
  • On a représenté sur la fig. 4 une vue à échelle agrandie par rapport à la fig. 3 en section d'un ensemble modulaire de tubes multiples du type plongeur dits «à baïonnette» présentés sur la fig. 3. Cet ensemble comporte quatretubes concentriques, respectivement de l'intérieur vers l'extérieur: le premier tube 135, le deuxième tube 136, le tube interne 70, le tube externe 72. Le tube double constitué par les premier et deuxième tubes 135 et 136 se dilate librement à deux extrémités. Il est centré dans la veine de vapeur par un fil hélicoïdal (non représenté) ou un autre moyen approprié. Le tube interne peut comporter des ailettes 70a qui ont pour but d'accroître l'échange de chaleur entre le gaz intermédiaire et la paroi du tube. La présence d'ailettes permet de raccourcir la longueur de la zone d'échange 42a. Par ailleurs, le diamètre du tube interne 70 étant plus important, la surface d'échange est accrue. Ceci constitue un autre facteur qui permet de réduire la longueur de la zone d'échange.
  • On a représenté sur la fig. 5 une réalisation de l'échangeur conforme au principe exposé en référence aux figures 3 et 4, mais plus proche d'une réalisation réelle. Alors que sur la fig. 3 on n'a représenté qu'un seul tube plongeur à parois multiples à échelle agrandie, afin de distinguer les quatre tubes qui le constituent, on a représenté sur la fig. 5 plusieurs de ces tubes qui constituent le faisceau de l'échangeur. Le faisceau de tubes 136 est fixé à sa partie supérieure sur la plaque à tubes 130; le faisceau de tubes 70 est fixé à sa partie supérieure sur la plaque à tubes 52; le faisceau des tubes extrérieurs 72 est fixé à sa partie supérieure sur la plaque à tubes 50 et, à sa partie inférieure aux petites plaques à tubes latérales 134. Deux de ces plaques ont été représentées sur la fig. 5 mais, dans la pratique, elles pourraient être plus nombreuses.
  • Dans la réalisation de l'échangeur des figures 3 à 5, l'eau pénètre à la partie supérieure de l'échangeur, parcourt le premier tube selon le sens vertical, de haut en bas, contourne l'extrémité des premier et deuxième tubes (flèche 140 sur la fig. 3). La veine de génération de vapeur est constituée par l'espace annulaire compris entre les tubes 70 et 72. La vaporisation est ascendante. Comme dans le cas du premier mode de réalisation, l'évacuation de la vapeur se fait par le haut du générateur.
  • La lame d'air séparant le tube d'arrivée d'eau et la veine de vaporisation joue le rôle d'isolation thermique. La circulation du sodium est descendante et extérieure aux tubes à multiples. La circulation de l'hélium est ascendante.
  • Les avantages de ce mode de réalisation sont de permettre un meilleur ajustement entre les conditions de circulation et d'échange thermique concernant à la fois l'eau-vapeur et l'hélium d'une part, l'hélium et le sodium d'autre part. Il permet par ailleurs une réduction de la longueur d'échange en augmentant les diamètres des tubes sodium-hélium et surtout hélium-eau. Cela conduit à une réduction de la longueur d'échange. Cette longueur est encore réduite par la présence d'ailettes. Les tubes d'amenée d'eau, à savoir les tubes 135 peuvent se dilater librement et individuellement. Le tube interne 70 d'eau/vapeur fixé à une de ses extrémités à la plaque à tubes 52 et fermé à son autre extrémité, peut se dilater librement. Les tubes externes 72 raccordés individuellement aux plaques à tubes 134 par des coudes peuvent également se dilater librement et individuellement. Il en résulte une absence de contraintes de dilatation thermique différentielle entre chaque tube pris individuellement et entre le faisceau et l'enveloppe extérieure du générateur de vapeur. Ceci, compte tenu des propriétés d'échange thermique du sodium liquide permet d'adopter un écoulement longitudinal donc simple et non perturbateur de ce sodium liquide. Enfin, les possibilités de l'accès aux extrémités des tubes d'arrivée d'eau et d'hélium sont améliorées grâce à la configuration des boîtes à eau et à hélium latérales.
  • L'utilisation du gaz chimiquement neutre qu'est l'hélium peut s'étendre aux fonctions de refroidissement du réacteur à l'arrêt, c'est-à-dire pour le refroidissement du sodium primaire lorsque les pompes principales ne fonctionnent plus. A titre l'exemple parmi d'autres, le circuit intermédiaire d'hélium du générateur de vapeur décrit dans l'invention est raccordé comme représenté sur la figure 6, à un échangeur 150 dimensionné pour le refroidissement du réacteur à l'arrêt et placé en dérivation sur la canalisation 27 d'écacuation du fluide intermédiaire hors du générateur 15 et sur la canalisation d'admission 25 du fluide intermédiaire dans ce générateur. A la différence de cette solution qui repose sur l'utilisation en secours des générateurs de vapeur des boucles principales, on peut également envisager une dérivation du circuit intermédiaire d'hélium raccordé à un échangeur de chaleur 151 placé dans la cuve du réacteur. Ces deux solutions peuvent également être utilisées conjointement et d'autres sont envisageables.
  • L'utilisation de l'hélium présente de nombreux avantages pour cette fonction. Il est chimiquement neutre, conduit à des coefficients d'échange de chaleur modérés, donc à des transitoires et des chocs thermiques moins sévères. Il ne s'active pas sous rayonnement neutronique, il se purifie facilement. Le rejet final de chaleur peut se faire sur de l'eau ou sur de l'air. Toutefois, l'échangeur sera plus compact dans le premier cas.

Claims (10)

1. Générateur de vapeur pour le transfert indirect de chaleur entre un premier fluide constitué par un métal liquide et un deuxième fluide constitué par de l'eau, au moyen d'un fluide intermédiaire, le générateur de vapeur (15) comprenant:
une enveloppe (40) présentant un exe longitudinal (XX), ladite enveloppe (40) comportant une zone (42b) d'échange de chaleur entre le premier et le second fluides et une première et une deuxième zones d'admission-évacuation (42a, 42c) pour ces fluides, les première et seconde zones d'admission- évacuation étant situées de part et d'autre de la zone d'échange (42b), une première et une seconde plaques à tubes (50, 52) espacées axialement et délimitant une chambre d'évacuation du fluide intermédiaire étant disposées dans la première zone d'admission-évacuation;
un faisceau de tubes, chaque tube comportant un tube (70) interne disposé dans un tube externe coaxialement à celui-ci, une extrémité de chaque tube externe (72) étant racordée à la première plaque à tubes (50) et une extrémité de chaque tube interne (70) étant raccordée à la deuxième plaque à tubes (52),
un orifice d'admission et un orifice d'évacuation étant prévus dans l'enveloppe (40) pour le métal liquide, ce métal liquide circulant à l'extérieur des tubes externes (72),
au moins une chambre d'admission (68) pour l'eau, l'eau étant introduite dans les tubes internes (70),
au moins une chambre d'évacuation (58) pour la vapeur,
au moins une chambre d'admission (64) pour le fluide intermédiaire, ce fluide intermédiaire étant présent entre le tube externe (72) et le tube interne (70),
au moins une chambre d'évacuation (60) pour le fluide intermédiaire,
caractérisé en ce que le fluide intermédiaire chimiquement compatible avec le premier et le second fluides est un gaz sous pression qui circule entre les tubes internes (70) et les tubes externes (72), la chambre d'évacuation (60) du fluide intermédiaire étant reliée à l'entrée d'un échangeur de chaleur (30) servant à refroidir ce gaz sous pression, la chambre d'admission (64) du fluide intermédiaire étant reliée à la sortie de cet échangeur (30).
2. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz sous pression est de l'hélium.
3. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz sous pression est un mélange de gaz sous pression compatible.
4. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (30) est constitué par un appareil qui apporte un complément de chaleur au cycle à vapeur.
5. Générateur de vapeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur (30) est un resurchauffeur de vapeur pour turbine à vapeur.
6. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la chambre d'admission pour le fluide intermédiaire est délimitée par une troisième et une quatrième plaques (54, 56) à tubes espacées axialement et situées dans ladite deuxième zone d'admission-évacuation (42c), les tubes externes (72) étant raccordés à ladite troisième plaque à tubes (54), les tubes internes (70) étant raccordés à la quatrième plaque à tubes (56), une canalisation (25) d'admission du fluide intermédiaire étant raccordée à l'enveloppe (40) dans ladite deuxième zone d'admission-évacuation (42c) entre la troisième et la quatrième plaques à tubes.
7. Générateur de vapeur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte:
un cinquième plaque à tubes 130, plus espacée axialement de la zone d'échange (42b) que la deuxième plaque à tubes (52), la cinquième plaque à tubes (130) et la deuxième plaque à tubes (52) délimitant ladite chambre (58) d'évacuation de la vapeur,
un certain nombre de cellules tubulaires élémentaires comportant chacune: un premier et un deuxième tubes (135, 136) étant disposés à l'intérieur de chaque tube interne (70), le premiertube (135) étant lui-même disposé à l'intérieur du deuxième tube (136), une extrémité du premier tube (135) étant raccordée à une petite plaque à tubes latérale (133), elle-même solidaire d'une boîte à eau (133a), une extrémité de chaque deuxième tube (136) étant raccordée à la cinquième plaque à tubes (130), la deuxième extrémité des premier et deuxième tubes étant reliée de manière étanche de façon à déterminer un espace annulaire (138) qui contient de l'air ambiant stagnant,
chaque tube interne (70) étant fermé à son extrémité inférieure,
chaque tube externe (72) étant raccordé à une petite plaque à tubes (134), elle-même solidaire d'une boîte à hélium (137a).
8. Générateur de vapeur selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tube interne (70) est muni d'ailettes (70a).
9. Générateur de vapeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'un échangeur de chaleur (150) pour le refroidissement du réacteur à l'arrêt est raccordé en dérivation sur la canalisation d'évacuation (27) du fluide intermédiaire hors du générateur de vapeur (15) et sur la canalisation d'admission (25) du fluide intermédiaire dans le générateur de vapeur (15).
10. Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un échangeur de chaleur (151) placé dans la cuve d'un réacteur, pour le refroidissement du réacteur à l'arrêt est raccordé en dérivation sur la canalisation (27) du fluide secondaire hors du générateur de vapeur (15) et sur la canalisation d'admission (25) du fluide intermédiaire dans le générateur de vapeur (15).
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