EP1468425A2 - Installation d'entreposage de tres longue duree de produits emettant un flux thermique eleve - Google Patents

Installation d'entreposage de tres longue duree de produits emettant un flux thermique eleve

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Publication number
EP1468425A2
EP1468425A2 EP03715032A EP03715032A EP1468425A2 EP 1468425 A2 EP1468425 A2 EP 1468425A2 EP 03715032 A EP03715032 A EP 03715032A EP 03715032 A EP03715032 A EP 03715032A EP 1468425 A2 EP1468425 A2 EP 1468425A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
container
tubes
evaporator
jacket
installation according
Prior art date
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Granted
Application number
EP03715032A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1468425B1 (fr
Inventor
Michel Badie
Bernard Duret
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1468425A2 publication Critical patent/EP1468425A2/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1468425B1 publication Critical patent/EP1468425B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F5/00—Transportable or portable shielded containers
    • G21F5/06—Details of, or accessories to, the containers
    • G21F5/10—Heat-removal systems, e.g. using circulating fluid or cooling fins
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0233—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes the conduits having a particular shape, e.g. non-circular cross-section, annular

Definitions

  • the invention relates to a storage installation, that is to say storage under surveillance and reversible, of very long duration (greater than 50 years), of heat products emitting a high thermal flux.
  • Such a storage installation can in particular be used for the very long-term storage of nuclear waste such as irradiated nuclear fuels. Indeed, the storage of such products requires control of the temperature of the containers in which they are found.
  • the high heat flux which is generated by the heat products must be evacuated by a cooling system which stabilizes the surface temperature of the containers. This ensures the durability of the structure of the containers and the heat products they contain. This also ensures the durability of the concrete of the walls surrounding.
  • the cooling systems are preferably passive.
  • this document proposes to tightly enclose each container, over its entire external cylindrical surface, by a flexible and removable jacket made, for example by a thin sheet stapled and tightened, which surrounds the container so that the surfaces smooth outer sides of the container and liner are normally in contact.
  • a flexible and removable jacket made, for example by a thin sheet stapled and tightened, which surrounds the container so that the surfaces smooth outer sides of the container and liner are normally in contact.
  • the application of the shirt to the outer surface of the container is ensured by tightening at several points when the shirt is closed (or stapled).
  • the jacket is fitted externally, at regular intervals (for example about 20 cm), with vertical tubes of circular or square section. These tubes are intimately linked to the jacket, from the point of view of thermal conduction, so as to form an evaporator for the cooling fluid.
  • this fluid operates in two-phase liquid-vapor regime and constitutes a heat pipe with the circuit in which it is confined.
  • the heat pipe condenser is located outside the site, where a heat exchange takes place with the free air which circulates by natural convection.
  • the tubes are integral with jacket sections, themselves assembled end to end by welding or by any other mechanical connection means.
  • the thermal efficiency of the system only depends on the quality of the contact between the container and the juxtaposed jacket sections.
  • the quality of the thermal transmission increases when the contact resistance decreases, that is to say when the contact between the surfaces is closer.
  • good transmission of the heat flux between the container and the flexible jacket which surrounds it assumes that the thickness of the film of residual air between the two walls is limited to a fraction of a millimeter.
  • a cooling supplement is normally provided by the surrounding air, in perpetual natural convection on the outside surface of the heat pipe jacket.
  • means for setting the air in forced convection can be provided.
  • the heat exchange increases with the outer surface of the jacket, when the latter is made of a heat-conducting material and when the contact resistance between the container and the jacket is low.
  • the object of the invention is precisely a very long-term storage installation for heat products, comparable to the installation proposed in document FR-A-2 791 805 but the original design of which allows obtaining at least comparable performance in a significantly simpler and less costly manner, using traditional industrial means.
  • a very long-term storage installation for heat products comprising at least one container for confining said products, an evaporator comprising a jacket surrounding the container and a plurality of tubes integral with the jacket and filled with a heat transfer fluid, and means for clamping the evaporator on the container, characterized in that the evaporator has an interior surface such that the clamping means keep the evaporator in close contact with a surface outside of the container only opposite each of the tubes.
  • the interior surface of the evaporator has, between the tubes, a radius of curvature substantially greater than that of the exterior surface of the container.
  • the contact zone between the container and each of the tubes has a well-defined surface and is not limited to a line, in particular in the case of tubes of circular section
  • the interior surface of the evaporator comprises, in face of each of the tubes, a part of complementary shape to the outer surface of the container, maintained in close surface contact with said outer surface by the clamping means.
  • the tubes are fixed, preferably by welding, inside a continuous structure, of substantially circular section, forming the jacket.
  • the tubes may include cooling fins, located between the jacket and the container.
  • each tube is produced in one piece with two sections of jacket and the sections of the neighboring tubes are joined together edge to edge to form the jacket.
  • the sections of neighboring tubes can then be assembled either by welding, or by any mechanical connection means.
  • the tubes can have either a substantially square or rectangular section, or a substantially circular section.
  • the tubes advantageously have heels, one inner face of which is held in close surface support against the outer surface of the container by the clamping means.
  • an outer surface of the evaporator may have cooling fins.
  • the evaporator is moved away from the container so as to delimit vertical air circulation channels, by natural convection.
  • the channels then form part of a closed circuit which constitutes an additional confinement barrier.
  • FIG. 1 is a view in vertical section which very schematically represents part of an installation for storing heat products according to the invention
  • FIG 2 is a sectional view, along a horizontal plane, schematically illustrating part of an evaporator according to the invention, in almost linear contact with a container stored in
  • FIG. 3 is a view comparable to FIG. 2, schematically illustrating the case of an evaporator in surface contact with a container containing heat products;
  • FIG 4 is a sectional view comparable to Figures 2 and 3, showing in more detail an evaporator according to a first embodiment of the invention, and the associated clamping means;
  • FIG. 5 is a sectional view comparable to FIG. 4, showing side by side three possible section variants for the tubes of the evaporator as well as the optional presence of cooling fins on the jacket;
  • FIG. 6 is a sectional view comparable to FIGS. 4 and 5, illustrating another variant of the first embodiment of the invention;
  • FIG. 7 is a sectional view comparable to FIGS. 4 to 6, illustrating side by side three variants of a second embodiment of the invention.
  • FIG. 9 represents the distribution of the heat flux (in / m 2 ) as a function of the distance (in mm) to the axis of a tube, in the direction of the circumference of the container, respectively in the case of a constant clearance of 0.01 mm (curve D), in the case of a constant clearance of 0.3 mm (curve E) and in the case of a contact in front of the tubes and an average clearance of 0, 3 mm (curve F); and FIG. 10 represents the change in the maximum temperature of the container (in ° C.) as a function of the clamping force applied to the evaporator (in Newton).
  • FIG 1 there is shown schematically a part of an installation according to the invention, intended for the very long-term storage of heat products such as nuclear waste consisting, for example, of irradiated nuclear fuels.
  • the installation comprises a closed cavity 10, delimited laterally and downwards by concrete walls 12.
  • the cavity 10 is dimensioned so as to be able to accommodate one or more containers 14 in which the nuclear waste that is to be stored is conditioned.
  • the containers 14 have the shape of cylindrical barrels and they are placed in the cavity 10 with their axes oriented substantially vertically.
  • a space 16 is provided between each container 14 and the walls 12 of the cavity 10 to allow the circulation of the surrounding air, by natural convection.
  • the container 14 rests on the bottom of the cavity 10 by means of a pedestal 17.
  • the cavity 10 is closed upwards by a concrete slab 18, comprising a removable plug 20 above each of the containers 14.
  • a heat pipe is associated with each container. More specifically, this heat pipe comprises an evaporator 22 which surrounds the container 14, an air condenser 24 placed above the slab 18 and two pipes 26 connecting the evaporator 22 to the air condenser 24 through the plug 20.
  • the air condenser 24 may be common to several containers 14.
  • a heat transfer fluid such as water to
  • phase changes of this fluid (evaporation / condensation) in the heat pipe ensure the transfer of the heat emitted by the nuclear waste from the hot source constituted by the container 14 to the cold source constituted by the air condenser 24.
  • the evaporator 22 comprises a jacket 28, which substantially entirely surrounds the outer peripheral surface 30 of the container 14, and a plurality of tubes 32 integral with the jacket 28.
  • the tubes 32 are parallel to each other and to the substantially vertical axis of the container and they are regularly distributed substantially at equal distance from each other, over the entire periphery of the container.
  • the tubes 32 are connected to an annular liquid water distributor 34 at their lower ends and in an annular manifold of vaporized water 36 at their upper ends.
  • the distributor 34 and the manifold 36 are separately connected to the air condenser 24 by one of the pipes 26 and these comprise, below the plug 20, removable connectors 38.
  • the tubes 32 and the collectors 34 and 36 are filled with the heat transfer fluid contained in the heat pipe.
  • the evaporator 22 is mounted on the container 14, in a removable manner, by clamping means 40, an exemplary embodiment of which will be described later with reference to FIG. 4.
  • the internal surface of the evaporator 22 that is to say the surface of the evaporator facing the container 14, is produced in such a way that the clamping means 40 keep the evaporator 22 in close contact with the outer surface 30 of the container 14 only opposite each of the tubes 32.
  • the parts of the jacket 28 which are placed between the tubes 32 are spaced from the surface outer 30 of the container 14, so as to form vertical channels 42, of substantially uniform or variable thickness, between the jacket 28 and the container 14.
  • These channels 42 constitute a kind of chimney which generates an air circulation, by natural convection, around container 14.
  • This circulation air can be mainly laminar or turbulent depending on the specific power dissipated by the container, the height of the container and, to a lesser extent, the diameter of the container.
  • the turbulent nature of the flow improves the cooling of the container. It is favored by a specific thermal power equal to or greater than 1 kw / m 2 and by the increase in the height of the container and the radial thickness of the vertical channels 42.
  • Tests have been carried out with specific thermal powers ranging from 1 kw / m 2 to more than 3 kw / m 2 and, more particularly, around 2.5 kw / m 2 .
  • the heights were between 2 m and 5 m, the greater height improving the efficiency of heat transfer.
  • the radial thickness must be greater than 1 cm; this is why the tests were preferably carried out with radial thicknesses between 4 cm and 12 cm.
  • the development of a chimney effect in natural convection is governed by three parameters which are:
  • the height of the chimney is 5 to 6 meters when the container is filled with irradiated fuels, which generates a very efficient draft.
  • a height of 1 meter corresponding to a container filled with hot objects of shorter length allows proportionally equal efficiency; -the presence of the cylindrical container generating the heat flow; the container is an excellent heat flux generator; this flow can be considered homogeneous on the cylindrical wall; and
  • the movement of air is caused by the variation in density of the fluid subjected to a force field.
  • the grouping which governs natural convection is the Grashof Gr number, but the commonly accepted correlations involve the Rayleigh number.
  • ⁇ R 1 cm.
  • the effect then increases with ⁇ R to reach an optimal value around 5 to 6 cm (the definition of this optimal value is based here on maximum use of a high efficiency heat pipe evaporator, coupled with an efficient cooling system by natural convection) .
  • This optimal value corresponds to an extraction value by natural convection of approximately 40% of the total power extracted (conduction + radiation + natural convection in channels 42 + external natural convection).
  • ⁇ R 4 cm
  • the percentage of power extracted by the chimney-type effect is approximately 25 to 30% of the total. This value has been validated experimentally on a model 2 m in diameter, 1.5 m in height and a heat flux of 2.5 kW / m 2 .
  • the value ⁇ R 4 cm corresponds to the external dimensions of a 40 mm X 40 mm square tube whose internal section is necessary for stable operation in two-phase siphon mode (passive mode).
  • the performance gain of the system which is the subject of the invention is, at the optimum, around 20%. This results, at equal generated power in the container, by a significant lowering of the skin temperature of the container by approximately 10 to 20 ° C (depending on the nature of the different materials) and for heat fluxes of 2 to 3 kW / m 2 . This contribution is therefore very important.
  • the contact between the evaporator 22 and the container 14 can be limited to almost linear zones corresponding to the generatrices of the container 14 located at the right of each of the tubes 32.
  • the interior surface of the evaporator 22 may also include, at the level of each of the tubes 32, a portion 44, of limited width, the shape of which is complementary to that of the exterior surface 30 of container 14, as illustrated in FIG. 3.
  • tightening means 40 (FIG. 4) then has the effect of maintaining these parts 44 in close surface contact with the external surface 30 of the container 14.
  • the almost point contact of Figure 2 as the surface contact of Figure 3 can be obtained by giving the inner surface of the evaporator 22, between the tubes 32, a radius of curvature greater than that of the outer surface 30 of the container 14.
  • the parts of the evaporator 22 located between the tubes 32 may have a radius of approximately 1200 mm.
  • the maximum clearance between the evaporator and the container is then, for example, 0.85 mm.
  • an average clearance of about 0.45 mm is obtained inside the channels 42.
  • the jacket 28 is embodied by a continuous structure, of substantially circular section and of small thickness, which remotely surrounds the container 14.
  • This structure is made, for example , by a sheet.
  • the tubes 32 are then fixed inside the jacket 28 by any suitable means.
  • this fixing is ensured by welding points.
  • FIG. 4 also shows a possible embodiment of the clamping means 40.
  • the evaporator 22 is open according to a generator and has two facing edges 22a, oriented parallel to the axis of container 14.
  • the clamping means 40 are interposed between the two edges 22a. More specifically, the clamping means 40 comprise a plurality of bolts 46, which pass through holes formed in parts 48, attached along the edges 22a of the evaporator, on its surface facing outwards.
  • a helical compression spring 50 is mounted on each of the bolts 46, so as to keep the clamping force substantially constant in the event of possible differential expansions between the container 14 and the evaporator 22.
  • FIG. 5 different variants of the first embodiment described with reference to FIG. 4 have been shown simultaneously. In practice, it will be understood that these variants are alternative solutions, generally implemented separately from each other, unless indicated. otherwise.
  • the different variants illustrated in FIG. 5 relate first of all to the shape of the tubes 32.
  • these tubes can have either a circular, square or rectangular section, that is to say flattened in the direction of their thickness.
  • the thermal evacuation is all the more effective as the contact surface between the container and the parts of the evaporator located in front of the tubes is large, that is to say going from the tubes of circular section to the tubes of rectangular section.
  • the extent of this contact surface must remain sufficiently small so that close contact can be obtained without difficulty.
  • the tubes 32 can be arranged every 200 mm and have a section of 40X40 mm or 60X60 mm, in the case of square tubes.
  • the heat exchange between the tubes 32 and the air which circulates in the annular spaces 42 can be improved by equipping the tubes with cooling fins 32a, located between the jacket 28 and the container 14. These fins 32a can be attached to tubes 32 of any section or produced in one piece with said tubes, in the form of extruded profiles.
  • the heat exchange can be improved by equipping each of the tubes 32 with heels 52, on the side of the container 14. The inner face of the heels 52 is then maintained in close surface support against the outer surface 30 of the container 14.
  • the jacket 28 and the tubes 32 are made in one piece. More precisely, each of the tubes 32 is made in one piece with two sections 28a of the jacket 28. Each of the sections 28a has, in section along a horizontal plane, the shape of an arc of a circle whose length is equal to half the length of the jacket 28 between two consecutive tubes 32. The sections 28a of the neighboring tubes 32 are assembled together edge to edge, according to generatrices of the container 14, to form the jacket 28.
  • the edge-to-edge assembly of the sections 28a can be ensured either by welds 54 or by mechanical connection means 56, such as jointing means or the like, as illustrated in FIG. 7.
  • the tubes 32 may include heels 52, as described above with reference to FIG. 6, in the context of the first embodiment of the invention.
  • the heels 52 then have an inner face whose shape is complementary to that of the outer cylindrical surface of the container 14.
  • the clamping means associated with the evaporator maintain the inner face of each of the heels 52 in narrow surface support , that is to say without play, against the outer surface of the container 14.
  • each of the integral parts comprising a tube 32 and two jacket sections 28a can also comprise one or more cooling fins 58, on its surface facing outwards , that is to say opposite the container 14.
  • such cooling fins 58 ( Figure 5) may also be provided.
  • the fins 58 are attached by welding to the outer surface of the sheet forming the jacket 28.
  • clamping means can be similar to those used in the first embodiment, as described above with reference to FIG. 4.
  • a finite element modeling made by the applicant has shown, surprisingly, that an evaporator 22 having limited surface contact with the container 14 (corresponding to a clearance of 0.01 mm), in line with the tubes 32 of the heat pipe, in accordance with the invention, makes it possible to obtain thermal properties substantially identical to those which are obtained using an evaporator in accordance with the prior art described in the document FR-A-2 791 805, in which a uniform clearance of 0.1 mm is obtained over the entire interface between the evaporator and the container.
  • This result is particularly advantageous from an industrial point of view since it is much easier to ensure local contact limited to the right of the tubes 32 than to obtain a uniform clearance of 0.1 mm over the entire surface of the evaporator 22.
  • the curve A corresponds to the case of an evaporator of the prior art, in which a constant clearance is provided between the evaporator and the container
  • the curve B corresponds to the case of '' an evaporator which would be locally in contact with the container only between the tubes
  • the curve C corresponds to the case of an evaporator 22 conforming to the invention, that is to say locally in contact with the container 14 only in front of the tubes 32.
  • an average clearance of 0.5 mm with a contact between the evaporator 22 and the container 14 opposite the tubes 32 means that the clearance is zero at the level of the tubes 32 (c ' is to say equal to 0.01 mm in the modeling) and that it evolves linearly up to 1 mm in the middle of the circular arc formed in section by the evaporator between two neighboring tubes 32.
  • Such an arrangement is perfectly achievable with traditional industrial means. Indeed, it allows, for equal thermal efficiency, to multiply by five the average clearance on the condition that the contact zones are located opposite the tubes 32.
  • the contact zones can be almost linear or, preferably, have the form of narrow surfaces extending over the entire height of the container.
  • An evaporator 22 according to the invention produced by combining the principle of the almost linear contact in FIG. 2 with the second embodiment described with reference to FIG. 7 (jacket sections 28a and tubes 32 in one piece), was first tested, with the numeric values shown previously with reference to FIG. 2 (container with a radius of 1000 mm, evaporator with a radius of curvature equal to 1200 mm, maximum clearance of 0.85 mm, almost linear contact under the tubes).
  • this evaporator is thermally equivalent to an evaporator of the prior art, having an average clearance of 0.01 mm with the container, very difficult to obtain in practice.
  • an evaporator 22 was produced combining the characteristics of FIG. 3 (surface contact) and the second embodiment of the invention.
  • the contact surface in line with the tubes 32 must not be too wide, otherwise it will fall back on the implementation difficulties characteristic of the prior art.
  • contact zones 40 to 60 mm wide constitute a good compromise between obtaining a greatly increased thermal efficiency and -an easy implementation.
  • the first embodiment described above with reference to FIGS. 4 to 6 constituted a third stage of experimentation. Indeed, this embodiment allows, for a reduced cost, to maintain an acceptable thermal efficiency.
  • the liner 28 By placing the liner 28 at a distance from the container 14 equal to the external dimensions of the tube 32, all the manufacturing tolerances are eliminated.
  • the jacket 28 forms a continuous circular structure which allows the tubes 32 to be encircled and pressed against the container 14.
  • annular space in the form of a crown, is created between the shirt and the container.
  • This space corresponds to the channels 42 in FIG. 2. It promotes the development of a kind of chimney effect, which allows the ambient air thus channeled to circulate vertically under the effect of a natural convection whose engine is the thermal power of the container 14.
  • a very efficient independent passive cooling is thus created, since it is carried out in direct contact with the container, that is to say without any contact resistance. The effect of this cooling is added to that of the heat pipe in contact with the container.
  • the total yield of this embodiment is therefore higher than that of the prior art, at a much lower cost.
  • Such turbulence in the vertical channels 42 is so effective that it can reduce the heat flow which the fluid circuit must evacuate. This reduction is advantageous in two cases: on the one hand, if an accidental failure affects the fluidic circuit, the time available to carry out an intervention is greatly extended; on the other hand, in the long term, the date on which we can stop using this fluid circuit given the decrease in heat flow is significantly anticipated.
  • An alternative embodiment of the invention consists in extracting in a closed circuit the air circulating in the vertical channels 42, using means known to those skilled in the art. This variant also has the advantage of providing an additional sealed containment barrier, increasing safety in the event of an accident, and of avoiding thermal effects on the air in the warehouse.
  • the jacket 28 also serves as a vis-à-vis the concrete structures of the site and that its temperature is lower than that of the jacket used in the prior art since it is cooled on its two faces and is not in thermal continuity with the tubes 32.
  • the thermal conductivity of the materials present only participates very much little to thermal efficiency. The designer therefore has a much wider choice of materials than in the prior art.

Description

INSTALLATION D'ENTREPOSAGE DE TRES LONGUE DUREE DE PRODUITS EMETTANT UN FLUX THERMIQUE ELEVE
DESCRIPTION
Domaine technique
L'invention concerne une installation d'entreposage, c'est-à-dire de stockage sous surveillance et réversible, de très longue durée (supérieure à 50 ans) , de produits calorifiques émettant un flux thermique élevé .
Une telle installation d'entreposage peut notamment être utilisée pour le stockage de très longue durée de déchets nucléaires tels que des combustibles nucléaires irradiés. En effet, l'entreposage de tels produits nécessite une maîtrise de la température des conteneurs dans lesquels ils se trouvent.
Etat de la technique L'entreposage de très longue durée de produits calorifiques tels que des déchets nucléaires s'effectue généralement en conditionnant les déchets dans des conteneurs et en plaçant ces derniers dans des cavités formées dans le sol et délimitées par des parois de béton.
Le flux thermique élevé qui est généré par les produits calorifiques doit être évacué par un système de refroidissement qui stabilise la température de surface des conteneurs. Cela permet d'assurer la durabilité de la structure des conteneurs et des produits calorifiques qu'ils contiennent. Cela permet également d'assurer la pérennité du béton des parois environnantes. Les systèmes de refroidissement sont, de préférence, passifs.
Dans le document FR-A-2 791 805, il est proposé une installation d'entreposage de très longue durée de produits calorifiques. Dans cette installation, la puissance thermique est extraite au plus près de la barrière étanche matérialisée par le conteneur, sans intrusion et de manière passive, avant d'être évacuée à l'extérieur du site par un circuit caloporteur non contaminable .
De façon plus précise, ce document propose d'enserrer étroitement chaque conteneur, sur toute sa surface cylindrique extérieure, par une chemise souple et démontable constituée, par exemple par une tôle mince agrafée et serrée, qui entoure le conteneur de façon telle que les surfaces extérieures lisses du conteneur et de la chemise soient normalement en contact. L'application de la chemise sur la surface extérieure du conteneur est assurée par un serrage en plusieurs points, lors de la fermeture (ou agrafage) de la chemise.
La chemise est équipée extérieurement, à intervalles réguliers (par exemple environ 20 cm) , de tubes verticaux de section circulaire ou carrée. Ces tubes sont intimement liés à la chemise, du point de vue conduction thermique, de façon à former un évaporateur pour le fluide de refroidissement. De préférence, ce fluide fonctionne en régime diphasique liquide-vapeur et constitue un caloduc avec le circuit dans lequel il est confiné. Le condenseur du caloduc se trouve à l'extérieur du site, où un échange thermique s'effectue avec l'air libre qui circule par convection naturelle.
Dans cette installation connue, la transmission du flux thermique en provenance du conteneur est assurée, d'une part, par le contact direct des parois du conteneur et de la tôle formant la chemise et, d'autre part, par le contact entre ladite tôle et les tubes qu'elle supporte.
Dans un autre mode de réalisation décrit dans le document FR-A-2 791 805, les tubes font corps avec des tronçons de chemise, eux mêmes assemblés bout à bout par soudage ou par tout autre moyen de liaison mécanique. Dans ce cas, le rendement thermique du système ne dépend que de la qualité du contact entre le conteneur et les tronçons de chemise juxtaposés.
Dans tous les cas, la qualité de la transmission thermique augmente lorsque la résistance de contact diminue, c'est-à-dire lorsque le contact entre les surfaces est plus étroit. En d'autres termes, une bonne transmission du flux thermique entre le conteneur et la chemise souple qui l'entoure suppose que l'épaisseur du film d'air résiduel entre les deux parois soit limitée à une fraction de millimètre.
Un appoint de refroidissement est normalement apporté par l'air environnant, en perpétuelle convection naturelle à la surface extérieure de la chemise du caloduc. Pour assurer le refroidissement en cas d'incident ou d'accident, des moyens de mise en mouvement de l'air en convection forcée peuvent être prévus. L'échange thermique augmente avec la surface extérieure de la chemise, lorsque celle-ci est réalisée en un matériau conducteur de la chaleur et lorsque la résistance de contact entre le conteneur et la chemise est faible. En outre, dans un mode de réalisation préféré, il est proposé de munir les tubes d'ailettes de refroidissement pour augmenter la surface d'échange entre la chemise et l'air environnant et autoriser, dans une éventuelle situation d'accident, des temps d'intervention plus longs.
Des modélisations, puis expérimentations effectuées à échelle 1, sur des conteneurs de 2 mètres de diamètre, ont permis d'obtenir les performances annoncées dans le document FR-A-2 791 805.
La poursuite de ces travaux et leur orientation vers l'industrialisation ont mis en évidence la difficulté d'obtenir un jeu moyen inférieur à 0,3 mm entre les conteneurs et la surface de la chemise. Une telle précision, réalisable sur un prototype, est difficile à obtenir à l'échelle industrielle avec des outils traditionnels et toute tentative pour le diminuer, par exemple à 0,1 mm, augmente très fortement le coût de fabrication. Or, ce jeu moyen constitue le paramètre le plus important pour les performances de l'installation.
Exposé de l'invention L'invention a précisément pour objet une installation d'entreposage de très longue durée de produits calorifiques, comparable à l'installation proposée dans le document FR-A-2 791 805 mais dont la conception originale autorise l'obtention de performances au moins comparables de façon sensiblement plus simple et moins coûteuse, en utilisant des moyens industriels traditionnels. Conformément à l'invention, il est proposé d'utiliser une installation d'entreposage de très longue durée de produits calorifiques, comportant au moins un conteneur de confinement desdits produits, un évaporateur comprenant une chemise entourant le conteneur et une pluralité de tubes solidaires de la chemise et remplis d'un fluide caloporteur, et des moyens de serrage de l'évaporateur sur le conteneur, caractérisé en ce que l'évaporateur présente une surface intérieure telle que les moyens de serrage maintiennent l'évaporateur en contact étroit avec une surface extérieure du conteneur seulement en face de chacun des tubes.
Des études et des modélisations d'une telle installation ainsi que des essais concernant certaines caractéristiques délicates telles que l'interface entre la chemise et le conteneur ont montré que la limitation des surfaces de contact entre le conteneur et la chemise à des zones restreintes situées en face des tubes permet d'obtenir, par des moyens industriels traditionnels et donc d'un coût raisonnable, un échange thermique entre le conteneur et les tubes aussi efficace que celui qui serait obtenu, dans l'installation de l'art antérieur illustrée par le document FR-A-2 791 805, en ménageant entre le conteneur et la chemise un jeu moyen constant d'environ 0,1 mm, très difficile à obtenir industriellement.
Avantageusement, la surface intérieure de l'évaporateur présente, entre les tubes, un rayon de courbure sensiblement supérieur à celui de la surface extérieure du conteneur. De préférence, afin que la zone de contact entre le conteneur et chacun des tubes présente une surface bien définie et ne soit pas limitée à une ligne, notamment dans le cas de tubes de section circulaire, la surface intérieure de l'évaporateur comporte, en face de chacun des tubes, une partie de forme complémentaire de la surface extérieure du conteneur, maintenue en contact surfacique étroit avec ladite surface extérieure par les moyens de serrage . Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les tubes sont fixés, de préférence par soudage, à l'intérieur d'une structure continue, de section sensiblement circulaire, formant la chemise. Dans ce cas, les tubes peuvent comporter des ailettes de refroidissement, situées entre la chemise et le conteneur.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, chaque tube est réalisé d'un seul tenant avec deux tronçons de chemise et les tronçons des tubes voisins sont assemblés entre eux bord à bord pour former la chemise. Les tronçons des tubes voisins peuvent alors être assemblés soit par soudage, soit par des moyens de liaison mécaniques quelconques.
Les tubes peuvent avoir soit une section sensiblement carrée ou rectangulaire, soit une section sensiblement circulaire. Dans ce dernier cas, les tubes présentent avantageusement des talons dont une face intérieure est maintenue en appui surfacique étroit contre la surface extérieure du conteneur par les moyens de serrage. De façon facultative, une surface extérieure de 1 ' évaporateur peut comporter des ailettes de refroidissement .
Enfin, selon un per ectionnement particulièrement avantageux de l'invention, en dehors de zones situées en face des tubes, l'évaporateur est éloigné du conteneur de façon à délimiter des canaux verticaux de circulation d'air, par convection naturelle. Dans une variante de réalisation de l'invention, les canaux font alors partie d'un circuit fermé qui constitue une barrière de confinement supplémentaire .
Brève description des dessins On décrira à présent, à titre d'exemples illustratifs et nullement limitatifs, différents modes de réalisation de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels :
-la figure 1 est une vue en coupe verticale qui représente très schematiquement une partie d'une installation d'entreposage de produits calorifiques conforme à l'invention ;
-la figure 2 est vue en coupe, selon un plan horizontal, illustrant schematiquement une partie d'un évaporateur selon l'invention, en contact quasi linéique avec un conteneur entreposé dans
1 ' installation ;
-la figure 3 est une vue comparable à la figure 2, illustrant schematiquement le cas d'un évaporateur en contact surfacique avec un conteneur contenant des produits calorifiques ; -la figure 4 est une vue en coupe comparable aux figures 2 et 3, représentant plus en détail un évaporateur selon un premier mode de réalisation de l'invention, et les moyens de serrage associés ; -la figure 5 est une vue en coupe comparable à la figure 4, illustrant côte à côte trois variantes de section possibles pour les tubes de l'évaporateur ainsi que la présence facultative d'ailettes de refroidissement sur la chemise ; -la figure 6 est une vue en coupe comparable aux figures 4 et 5, illustrant une autre variante du premier mode de réalisation de l'invention ;
-la figure 7 est une vue en coupe comparable aux figures 4 à 6, illustrant cote à cote trois variantes d'un deuxième mode de réalisation de 1 ' invention ;
-la -figure 8 représente trois courbes illustrant l'évolution de la température moyenne (en
- - °C) dans l'épaisseur d'un conteneur contenant un produit calorifique, en fonction du jeu moyen (en mm) entre l'évaporateur et le conteneur, respectivement dans le cas d'un jeu constant (courbe A) , dans le cas d'un contact entre les tubes (courbe B) et dans le cas d'un contact en face des tubes conformément à l'invention (courbe C) ;
-la figure 9 représente la répartition du flux thermique (en /m2) en fonction de la distance (en mm) à l'axe d'un tube, dans le sens de la circonférence du conteneur, respectivement dans le cas d'un jeu constant de 0,01 mm (courbe D) , dans le cas d'un jeu constant de 0,3 mm (courbe E) et dans le cas d'un contact en face des tubes et d'un jeu moyen de 0,3 mm (courbe F) ; et -la figure 10 représente l'évolution de la température maximale du conteneur (en°C) en fonction de l'effort de serrage appliqué sur l'évaporateur (en Newton) .
Description détaillée de modes de réalisation préférés de 1 " invention
Sur la figure 1, on a représenté schematiquement une partie d'une installation conforme à l'invention, destinée à l'entreposage de très longue durée de produits calorifiques tels que des déchets nucléaires constitués, par exemple, par des combustibles nucléaires irradiés.
Dans sa configuration générale, cette installation est comparable à celle qui est décrite dans le document FR-A-2 791 805. Pour de plus amples détails, on se reportera donc utilement à ce document.
Pour la bonne compréhension de l'invention, on rappellera simplement ici que l'installation comprend une cavité fermée 10, délimitée latéralement et vers le bas par des parois de béton 12. La cavité 10 est dimensionnée de façon à pouvoir loger un ou plusieurs conteneurs 14 dans lesquels sont conditionnés les déchets nucléaires que l'on désire entreposer. Les conteneurs 14 ont la forme de fûts cylindriques et ils sont placés dans la cavité 10 avec leurs axes orientés sensiblement verticalement. Un espace 16 est ménagé entre chaque conteneur 14 et les parois 12 de la cavité 10 pour permettre la circulation de l'air environnant, par convection naturelle. A cet effet, le conteneur 14 repose sur le fond de la cavité 10 par l'intermédiaire d'un piédestal 17. La cavité 10 est fermée vers le haut par une dalle de béton 18, comportant un bouchon amovible 20 au-dessus de chacun des conteneurs 14.
Pour assurer l'évacuation de la chaleur émise par les déchets nucléaires conditionnés dans les conteneurs 14, de façon passive c'est-à-dire sans apport d'énergie extérieure, un caloduc est associé à chaque conteneur. Plus précisément, ce caloduc comprend un évaporateur 22 qui entoure le conteneur 14, un aérocondenseur 24 placé au-dessus de la dalle 18 et deux canalisations 26 reliant l'évaporateur 22 à 1 ' aérocondenseur 24 au travers du bouchon 20. L ' aérocondenseur 24 peut être commun à plusieurs conteneurs 14. Un fluide caloporteur tel que de l'eau à
100 °C est placé dans le caloduc. Les changements de phase de ce fluide (évaporation/condensation) dans le caloduc assurent le transfert de la chaleur émise par les déchets nucléaires de la source chaude constituée par le conteneur 14 vers la source froide constituée par 1 ' aêrocondenseur 24.
Comme l'illustre schematiquement la figure 2, l'évaporateur 22 comprend une chemise 28, qui entoure sensiblement en totalité la surface périphérique extérieure 30 du conteneur 14, et une pluralité de tubes 32 solidaires de la chemise 28. Les tubes 32 sont parallèles les uns aux autres ainsi qu'à l'axe sensiblement vertical du conteneur et ils sont régulièrement répartis sensiblement à égale distance les uns des autres, sur toute la périphérie du conteneur. En se reportant à nouveau à la figure 1, on voit que les tubes 32 sont reliés à un distributeur annulaire d'eau liquide 34 à leurs extrémités inférieures et dans un collecteur annulaire d'eau vaporisée 36 à leurs extrémités supérieures. Le distributeur 34 et le collecteur 36 sont reliés séparément à 1 ' aérocondenseur 24 par l'une des canalisations 26 et celles-ci comportent, en dessous du bouchon 20, des raccords démontables 38. Les tubes 32 ainsi que les collecteurs 34 et 36 sont remplis du fluide caloporteur contenu dans le caloduc.
L'évaporateur 22 est monté sur le conteneur 14, de façon démontable, par des moyens de serrage 40 dont un exemple de réalisation sera décrit ultérieurement en référence à la figure 4.
Conformément à 1 ' invention et comme 1 ' illustre schematiquement la figure 2, la surface intérieure de l'évaporateur 22, c'est-à-dire la surface de l'évaporateur tournée vers le conteneur 14, est réalisée de façon telle que les moyens de serrage 40 maintiennent l'évaporateur 22 en contact étroit avec la surface extérieure 30 du conteneur 14 uniquement en face de chacun des tubes 32. Ainsi, les parties de la chemise 28 qui sont placées entre les tubes 32 sont écartées de la , surface extérieure 30 du conteneur 14, de façon à former des canaux verticaux 42, d'épaisseur sensiblement uniforme ou variable, entre la chemise 28 et le conteneur 14. Ces canaux 42 constituent une sorte de cheminée qui génère une circulation de l'air, par convection naturelle, autour du conteneur 14.
Cette circulation. de l'air peut être majoritairement laminaire ou turbulente selon la puissance spécifique dissipée par le conteneur, la hauteur du conteneur et, dans une moindre mesure, le diamètre du conteneur. Le caractère turbulent de l'écoulement améliore le refroidissement du conteneur. II est favorisé par une puissance thermique spécifique égale ou supérieure à 1 kw/m2 et par l'accroissement de la hauteur du conteneur et de 1 ' épaisseur radiale des canaux verticaux 42.
Des essais ont été conduits avec des puissances thermiques spécifiques allant de 1 kw/m2 à plus de 3 kw/m2 et, plus particulièrement, autour de 2,5 kw/m2. Les hauteurs étaient comprises entre 2 m et 5 m, la hauteur la plus grande améliorant l'efficacité du transfert thermique. Pour que la circulation dans les canaux verticaux 42 ait une efficacité significative, l'épaisseur radiale doit être supérieure à 1 cm ; c'est pourquoi les essais ont été préférentiellement menés avec des épaisseurs radiales comprises entre 4 cm et 12 cm. Pour une géométrie annulaire, le développement d'un effet cheminée en convection naturelle est régi par trois paramètres qui sont :
-la hauteur de la cheminée ; dans le cas présent, la hauteur de la cheminée est de 5 à 6 mètres lorsque le conteneur est rempli de combustibles irradiés, ce qui génère un tirage très performant. Toutefois, une hauteur de 1 mètre correspondant à un conteneur rempli d'objets chauds de moindre longueur permet proportionnellement une égale efficacité ; -la présence du conteneur cylindrique générateur du flux thermique ; le conteneur est un excellent générateur de flux thermique ; ce flux peut être considéré comme homogène sur la paroi cylindrique ; et
-la largeur de l'espace annulaire ΔR entre le conteneur et la chemise, pour un diamètre donné ; dans le cas présent, la seule largeur de l'espace annulaire 42 n'est pas suffisante pour décrire la convection dans cette géométrie ; il faut donc considérer le rapport des rayons RI du conteneur et R2 de la chemise.
Le mouvement d'air est causé par la variation de masse volumique du fluide soumis à un champ de forces. Le groupement qui gouverne la convection naturelle est le nombre de Grashof Gr, mais les corrélations communément admises font intervenir le nombre de Rayleigh. Pour un diamètre de conteneur d'environ 2 mètres, les calculs montrent que l'effet cheminée commence à se développer dès ΔR = 1 cm. L'effet croît ensuite avec ΔR pour atteindre une valeur optimale vers 5 à 6 cm (la définition de cette valeur optimale s'appuie ici sur une utilisation maximale d'un évaporateur de caloduc de rendement élevé, couplé à un système performant de refroidissement par convection naturelle) . Cette valeur optimale correspond à une valeur d'extraction par convection naturelle d'environ 40 % de la puissance totale extraite (conduction + rayonnement + convection naturelle dans les canaux 42 + convection naturelle externe) . Avec ΔR = 4 cm, le pourcentage de puissance extraite par 1 ' effet de type cheminée est d'environ 25 à 30 % du total. Cette valeur a été validée expérimentalement sur une maquette de 2 m de diamètre, 1,5 m de hauteur et un flux thermique de 2 , 5 kW/m2. La valeur ΔR 4 cm correspond à l'encombrement extérieur d'un tube carré de 40 mm X 40 mm dont la section interne est nécessaire pour un fonctionnement stable en mode siphon diphasique (mode passif) .
Au-delà de ΔR = 6 à 7 cm environ, l'effet de type cheminée ne croît plus et il tend de manière décroissante vers une convection naturelle en espace libre pour ΔR > 10 cm. Ces valeurs se justifient dans une situation couplée d'extraction de puissance à la fois par le caloduc (pour profiter au mieux de l'extraction par conduction) et par la convection naturelle en cheminée.
Le gain de performance du système objet de l'invention est, à l'optimum, d'environ 20%. Cela se traduit, à puissance générée égale dans le conteneur, par un abaissement significatif de la température de peau du conteneur d'environ 10 à 20°C (selon la nature des différents matériaux) et pour des flux thermiques de 2 à 3 kW/m2. Cet apport est donc très important.
Comme on 1 ' a représenté schematiquement sur la figure 2, le contact entre l'évaporateur 22 et le conteneur 14 peut être limité à des zones quasi linéaires correspondant aux génératrices du conteneur 14 situées au droit de chacun des tubes 32.
Afin d'améliorer encore l'échange thermique, la surface intérieure de l'évaporateur 22 peut également comporter, au droit de chacun des tubes 32, une partie 44, de largeur limitée, dont la forme est complémentaire de celle de la surface extérieure 30 du conteneur 14, comme l'illustre la figure 3. La mise en œuvre des moyens de serrage 40 (figure 4) a alors pour effet de maintenir ces parties 44 en contact surfacique étroit avec la surface extérieure 30 du conteneur 14.
Le contact quasi ponctuel de la figure 2 comme le contact surfacique de la figure 3 peuvent être obtenus en donnant à la surface intérieure de l'évaporateur 22, entre les tubes 32, un rayon de courbure supérieur à celui de la surface extérieure 30 du conteneur 14. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, dans le cas d'un conteneur présentant un rayon de 1000 mm, les parties de l'évaporateur 22 situées entre les tubes 32 peuvent présenter un rayon d'environ 1200 mm. Le jeu maximal entre l'évaporateur et le conteneur est alors, par exemple, de 0,85 mm. Dans le cas d'un contact quasi ponctuel tel qu'illustré sur la figure 2, on obtient un jeu moyen d'environ 0,45 mm à l'intérieur des canaux 42.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention illustré sur la figure 4, la chemise 28 est matérialisée par une structure continue, de section sensiblement circulaire et de faible épaisseur, qui entoure à distance le conteneur 14. Cette structure est constituée, par exemple, par une tôle. Les tubes 32 sont alors fixés à l'intérieur de la chemise 28 par tout moyen approprié. Avantageusement, cette fixation est assurée par des points de soudage.
On a également représenté sur la figure 4 un exemple de réalisation possible des moyens de serrage 40. Comme l'illustre la figure 4, l'évaporateur 22 est ouvert selon une génératrice et comporte deux bords en vis-à-vis 22a, orientés parallèlement à l'axe du conteneur 14. Les moyens de serrage 40 sont interposés entre les deux bords 22a. Plus précisément, les moyens de serrage 40 comprennent une pluralité de boulons 46, qui traversent des trous formés dans des pièces 48, rapportées le long des bords 22a de l'évaporateur, sur sa surface tournée vers l'extérieur. Un ressort hélicoïdal de compression 50 est monté sur chacun des boulons 46, de façon à maintenir la force de serrage sensiblement constante dans l'hypothèse d'éventuelles dilatations différentielles entre le conteneur 14 et l'évaporateur 22.
Sur la figure 5, on a représenté simultanément différentes variantes du premier mode de réalisation décrit en référence à la figure 4. Dans la pratique, on comprendra que ces variantes sont des solutions alternatives, généralement mises en œuvre séparément les unes des autres, sauf indications contraires.
Les différentes variantes illustrées sur la figure 5 concernent tout d'abord la forme des tubes 32. Ainsi, ces tubes peuvent présenter indifféremment une section circulaire, carrée ou rectangulaire, c'est-à- dire aplatie dans le sens de leur épaisseur. L'évacuation thermique est d'autant plus efficace que la surface de contact entre le conteneur et les parties de l'évaporateur situées en face des tubes est grande, c'est-à-dire en allant des tubes de section circulaire aux tubes de section rectangulaire. Toutefois, 1 ' étendue de cette surface de contact doit rester suffisamment faible pour qu'un contact étroit puisse être obtenu sans difficulté.
A titre d'illustration nullement limitative, les tubes 32 peuvent être disposés tous les 200 mm et avoir une section de 40X40 mm ou de 60X60 mm, dans le cas -de tubes carrés .
Comme on l'a représenté sur la partie droite de la figure 5, l'échange thermique entre les tubes 32 et l'air qui circule dans les espaces annulaires 42 peut être amélioré en équipant les tubes d'ailettes de refroidissement 32a, situées entre la chemise 28 et le conteneur 14. Ces ailettes 32a peuvent être rapportées sur des tubes 32 de section quelconque ou réalisées d'un seul tenant avec lesdits tubes, sous la forme de profilés extrudés.
Comme le montre la figure 6, dans le cas où des tubes de section circulaire sont utilisés, l'échange thermique peut être amélioré en équipant chacun des tubes 32 de talons 52, du côté du conteneur 14. La face intérieure des talons 52 est alors maintenue en appui surfacique étroit contre la surface extérieure 30 du conteneur 14.
Sur la figure 7, on a représenté différentes variantes de réalisation possibles d'un évaporateur conforme à un- deuxième mode de réalisation de 1 ' invention.
Dans ce deuxième mode de réalisation, la chemise 28 et les tubes 32 sont réalisés d'un seul tenant. Plus précisément, chacun des tubes 32 est réalisé d'un seul tenant avec deux tronçons 28a de la chemise 28. Chacun des tronçons 28a présente, en section selon un plan horizontal, la forme d'un arc de cercle dont la longueur est égale à la moitié de la longueur de la chemise 28 entre deux tubes 32 consécutifs. Les tronçons 28a des tubes 32 voisins sont assemblés entre eux bord à bord, selon des génératrices du conteneur 14, pour former la chemise 28.
L'assemblage bord à bord des tronçons 28a peut être assuré soit par des soudures 54, soit par des moyens de liaison mécanique 56, tels que des moyens d'éclissage ou autres, comme on l'a illustré sur la figure 7.
Lorsque les tubes 32 présentent une section circulaire, ils peuvent comporter des talons 52, comme on l'a décrit précédemment en référence à la figure 6, dans le cadre du premier mode de réalisation de l'invention. Les talons 52 comportent alors une face intérieure dont la forme est complémentaire de celle de la surface cylindrique extérieure du conteneur 14. Dans ce cas, les moyens de serrage associés à l'évaporateur maintiennent la face intérieure de chacun des talons 52 en appui surfacique étroit, c'est-à-dire sans jeu, contre la surface extérieure du conteneur 14.
Comme on l'a également représenté sur la figure 7, chacune des pièces d'un seul tenant comprenant un tube 32 et deux tronçons de chemise 28a peut comprendre de plus une ou plusieurs ailettes de refroidissement 58, sur sa surface tournée vers l'extérieur, c'est-à-dire à l'opposé du conteneur 14. Dans le premier mode de réalisation . de l'invention illustré sur les figures 4 à 6, de telles ailettes de refroidissement 58 (figure 5) peuvent également être prévues. Dans ce cas, les ailettes 58 sont rapportées par soudage sur la surface extérieure de la tôle formant la chemise 28.
Dans le deuxième mode de réalisation de l'invention, les moyens de serrage peuvent être semblables à ceux qui sont utilisés dans le premier mode de réalisation, tels que décrits précédemment en référence à la figure 4.
Une modélisation en éléments finis faite par le demandeur a montré, de manière surprenante, qu'un évaporateur 22 présentant un contact surfacique limité avec le conteneur 14 (correspondant à un jeu de 0,01 mm) , au droit des tubes 32 du caloduc, conformément à l'invention, permet d'obtenir des propriétés thermiques sensiblement identiques à celles qui sont obtenues en utilisant un évaporateur conforme à la technique antérieure décrite dans le document FR-A-2 791 805, dans lequel un jeu uniforme de 0,1 mm est obtenu sur toute l'interface entre l'évaporateur et le conteneur. Ce résultat est particulièrement avantageux d'un point de vue industriel puisqu'il est beaucoup plus facile d'assurer un contact local limité au droit des tubes 32 que d'obtenir un jeu uniforme de 0,1 mm sur toute la surface de l'évaporateur 22. Ces résultats sont illustrés sur la figure 8, qui représente un repère orthonormë sur lequel on a porté en abscisses le jeu moyen (en mm) entre l'évaporateur 22 et le conteneur 14 et en ordonnées la température moyenne (en °C) dans l'épaisseur du conteneur 14. Plus précisément, la courbe A correspond au cas d'un évaporateur de l'art antérieur, dans lequel un jeu constant est prévu entre 1 ' évaporateur et le conteneur, la courbe B correspond au cas d'un évaporateur qui serait localement en contact avec le conteneur uniquement entre les tubes et la courbe C correspond au cas d'un évaporateur 22 conforme à l'invention, c'est-à-dire localement en contact avec le conteneur 14 uniquement en face des tubes 32.
Comme l'illustre également le Tableau 1 ci- dessous, on voit que l'efficacité du caloduc dépend essentiellement du jeu sous les tubes 32 et peu du jeu moyen entre l'évaporateur 22 et le conteneur 14. Par exemple, si l'on fixe la température maximale du conteneur à 155°C, on voit sur le Tableau 1 que ce résultat peut être obtenu avec un jeu moyen de 0,5 mm et un contact en face des tubes 14 conformément à l'invention. Ce résultat est comparable à celui qui est obtenu dans le cas d'un jeu uniforme de 0,1 mm selon l'art antérieur, très difficile à obtenir.
Tableau 1
La présence d'un jeu moyen de 0,5 mm avec un contact entre l'évaporateur 22 et le conteneur 14 en face des tubes 32, conformément à l'invention, signifie que le jeu est nul au droit des tubes 32 (c'est-à-dire égal à 0,01 mm dans la modélisation) et qu'il évolue linéairement jusqu'à 1 mm au milieu de l'arc de cercle formé en section par l'évaporateur entre deux tubes 32 voisins. Un tel agencement est parfaitement réalisable avec des moyens industriels traditionnels. En effet, il permet, à rendement thermique égal, de multiplier par cinq le jeu moyen à la condition que les zones de contact soient localisées en face des tubes 32.
Comme on 1 ' a décrit en référence aux figures 2 et 3, les zones de contact peuvent être quasi linéaires ou, de préférence, avoir la forme de surfaces étroites s ' étendant sur toute la hauteur du conteneur.
Sur la figure 9, on a représenté l'évolution du flux thermique (en /m2) en fonction de la distance à l'axe d'un tube 32 (en mm), sur l'arc de cercle formé en section par l'évaporateur 22. Plus précisément, cette évolution a été représentée en D dans le cas d'un jeu constant de 0,01 mm entre l'évaporateur 22 et le conteneur 14, en E dans le cas d'un jeu constant de 0,3 mm et en F dans le cas d'un contact linéaire en face des tubes 32.et d'un jeu moyen de 0,3 mm.
On voit sur la figure 9 que la répartition du flux thermique dépend fortement de la nature du jeu entre l'évaporateur et le conteneur. En particulier, on observe que la majeure partie du flux thermique est transmise dans les zones proches des tubes 32 et que ce phénomène s'accentue lorsque le jeu sous les tubes diminue. Ainsi, dans le cas d'un jeu constant de 0,3 mm, la moitié du flux thermique est transmise dans les
31 mm en partant des tubes (courbe E) , alors que cette distance se réduit à 18 mm dans le cas d'un jeu constant de 0,01 mm (courbe D) et à 17 mm dans le cas d'un contact linéaire sous les tubes avec un jeu moyen de 0,3 mm (courbe F). Les résultats illustrés sur la figure 9 confirment donc l'intérêt présenté par le fait de privilégier les contacts au droit des tubes 32, conformément à l'invention. Ces résultats ont été confirmés expérimentalement grâce à une maquette d'essais thermiques.
En remplaçant les contacts linéaires sous les tubes 32 par des contacts surfaciques, on accentue ce phénomène. Par conséquent, ce n'est plus la moitié mais la totalité du flux thermique qui est alors transmise sous les tubes 32.
L'influence des efforts de serrage exercés sur l'évaporateur 22 par les moyens de serrage 40 a également été étudiée . Les résultats de cette étude sont portés sur la figure 10. Cette figure représente l'évolution de la température maximale du conteneur (en°C) en fonction de l'effort de serrage (en Newtons) . On voit que la température diminue lorsque l'effort de serrage augmente de 0 à 4000 N, mais qu'au-delà de 4000 N, toute augmentation de l'effort est sans effet. Des moyens de serrage 40 tels que ceux qui ont été décrits en référence à la figure 4 permettent d'atteindre la valeur de 4000 N sans difficulté particulière.
Un évaporateur 22 conforme à l'invention, réalisé en combinant le principe du contact quasi linéaire de la figure 2 avec le deuxième mode de réalisation décrit en référence à la figure 7 (tronçons de chemise 28a et tubes 32 d'un seul tenant), a d'abord été testé, avec les valeurs numériques indiquées précédemment en référence à la figure 2 (conteneur de 1000 mm de rayon, évaporateur de rayon de courbure égal à 1200 mm, jeu maximal de 0,85 mm, contact quasi linéaire sous les tubes) . L'expérience a confirmé que cet évaporateur était thermiquement équivalent à un évaporateur de l'art antérieur, présentant un jeu moyen de 0,01 mm avec le conteneur, très difficile à obtenir dans la pratique.
Dans un deuxième temps, on a réalisé un évaporateur 22 combinant les caractéristiques de la figure 3 (contact surfacique) et du deuxième mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, la surface de contact au droit des tubes 32 ne doit pas être trop large, sous peine de retomber sur les difficultés de mise en œuvre caractéristiques de l'art antérieur. Ainsi, il apparaît que, pour un conteneur 14 de 2000 mm de diamètre, des zones de contact de 40 à 60 mm de large constituent un bon compromis entre l'obtention d'un rendement thermique fortement augmenté et -une réalisation aisée.
Puisque la plus grande partie de la chemise 28 ne participe que très partiellement au passage du flux thermique, le premier mode de réalisation décrit précédemment en référence aux figures 4 à 6 a constitué une troisième étape d'expérimentation. En effet, ce mode de réalisation permet, pour un coût réduit, de conserver un rendement thermique acceptable . En plaçant la chemise 28 à une distance du conteneur 14 égale à l'encombrement extérieur du tube 32, on fait disparaître toutes les tolérances de fabrication. La chemise 28 forme une structure circulaire continue qui permet de ceinturer les tubes 32 et de les plaquer sur le conteneur 14.
De plus, un espace annulaire, en forme de couronne, est créé entre la chemise et le conteneur. Cet espace correspond aux canaux 42 sur la figure 2. Il favorise le développement d'une sorte d'effet cheminée, qui permet à l'air ambiant ainsi canalisé de circuler verticalement sous l'effet d'une convection naturelle dont le moteur est la puissance thermique du conteneur 14. On crée ainsi un refroidissement passif indépendant très efficace, puisqu'il est effectué au contact direct du conteneur, c'est-à-dire sans aucune résistance de contact. L'effet de ce refroidissement s'ajoute à celui du caloduc en contact avec le conteneur. Le rendement total de ce mode de réalisation est donc supérieur à celui de l'art antérieur, pour un coût très inférieur.
On peut considérer que la convection naturelle de l'air à l'extérieur de la chemise 28 n'est pas significativement affectée et que ce phénomène s'ajoute aux deux phénomènes précédents.
De telles turbulences dans les canaux verticaux 42 sont si efficaces qu'elles peuvent diminuer le flux thermique que doit évacuer le circuit fluidique. Cette diminution est avantageuse dans deux cas : d'une part, si une défaillance accidentelle affecte le circuit fluidique, le délai disponible pour effectuer une intervention se trouve fortement allongé ; d'autre part, sur le long terme, la date à laquelle on peut cesser d'utiliser ce circuit fluidique compte tenu de la décroissance du flux thermique est significativement anticipée. Une variante de réalisation de l'invention consiste à extraire en circuit fermé l'air circulant dans les canaux verticaux 42, à l'aide de moyens connus de l'homme du métier. Cette variante présente en outre l'avantage de réaliser une barrière étanche de confinement supplémentaire, augmentant la sécurité dans une éventuelle situation d'accident, et d'éviter d' affecter thermiquement 1 ' air de 1 ' entrepôt .
Il est à noter, de surcroît, que la chemise 28 sert aussi d'écran vis-à-vis des structures de béton du site et que sa température est inférieure à celle de la chemise utilisée dans l'art antérieur puisqu'elle est refroidie sur ses deux faces et n'est pas en continuité thermique avec les tubes 32. Enfin, on observe également que, du fait des performances élevées de 1 ' installation conforme à l'invention, la conductivitë thermique des matériaux en présence ne participe que très peu au rendement thermique. Le concepteur dispose donc d'un choix de matériaux beaucoup plus large que dans l'art antérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Installation d'entreposage de très longue durée de produits calorifiques, comportant au moins un conteneur (14) de confinement desdits produits, un évaporateur (22) comprenant une chemise (28) entourant le conteneur (14) et une pluralité de tubes (32) solidaires de la chemise (28) et remplis d'un fluide caloporteur, et des moyens de serrage (40) de l'évaporateur (22) sur le conteneur (14), caractérisé en ce que l'évaporateur (22) présente une surface intérieure telle que les moyens de serrage (40) maintiennent l'évaporateur (22) en contact étroit avec une surface extérieure (30) du conteneur (14) seulement en face de chacun des tubes (32) .
2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la surface intérieure de l'évaporateur- (22) présente, entre les tubes (32) , un rayon de courbure sensiblement supérieur à celui de la surface extérieure (30) du conteneur (14) .
3. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle la surface intérieure de l'évaporateur (22) comporte, en face de chacun des tubes (32) , une partie (44) de forme complémentaire de la surface extérieure (30) du conteneur (14) , maintenue en contact surfacique étroit avec ladite surface extérieure par les moyens de serrage (40) .
4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les tubes (32) sont fixés à l'intérieur d'une structure continue, de section sensiblement circulaire, formant la chemise (28) . .
5. Installation selon la revendication 4, dans laquelle les tubes (32) sont fixés à l'intérieur de la chemise (28) par soudage.
6. Installation selon la revendication 4, dans laquelle les tubes (32) comportent des ailettes de refroidissement (32a) situées entre la chemise (28) et le conteneur (14) .
7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3-, dans laquelle chaque tube (32) est réalisé d'un seul tenant avec deux tronçons de chemise (28a) et les tronçons de chemise (28a) solidaires de tubes.' (32) voisins sont assemblés entre eux bord à bord pour former la chemise (28) .
8. Installation selon la revendication 7, dans laquelle les tronçons de chemise (28a) solidaires de tubes (32) voisins sont assemblés entre eux par des soudures (54) .
9. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, dans laquelle les tronçons de chemise (28a) solidaires de tubes (32) voisins sont assemblés entre eux par des moyens de liaison mécaniques (56) .
10. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle les tubes (32) ont une section sensiblement carrée ou rectangulaire.
11. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans laquelle les tubes (32) ont une section sensiblement circulaire.
12. Installation selon la revendication 10, dans laquelle les tubes (32) présentent des talons (52) dont une face intérieure est maintenue en appui surfacique étroit contre la surface extérieure (30) du conteneur (14) par les moyens de serrage (40) .
13. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle une surface extérieure de l'évaporateur (22) comporte des ailettes de refroidissement (58)
14. Installation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle, en dehors de zones situées en face des tubes (32), l'évaporateur (22) est éloigné du conteneur (14) de façon à délimiter des canaux verticaux (42) de circulation d'air, par convection naturelle.
15. Installation selon la revendication 14, dans laquelle les canaux (42) font partie d'un circuit fermé constituant un confinement.
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