EP3391379B1

EP3391379B1 - Structure amelioree de dissipation de chaleur par convection naturelle, pour emballage de transport et/ou d'entreposage de matieres radioactives

Info

Publication number: EP3391379B1
Application number: EP16809084.3A
Authority: EP
Inventors: Kévin BANCE; Olivier Bardon
Original assignee: TN International SA
Current assignee: TN International SA
Priority date: 2015-12-14
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2020-01-08
Anticipated expiration: 2036-12-13
Also published as: KR20180092985A; US10381120B2; FR3045143A1; CN108369829B; KR102604785B1; UA122810C2; JP6944454B2; WO2017102729A1; EP3391379A1; CN108369829A; FR3045143B1; JP2019502912A; US20180374592A1

Description

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention se rapporte au domaine de l'évacuation de la chaleur produite par des matières radioactives chargées dans un emballage de transport et/ou d'entreposage de matières radioactives.
Plus précisément, la présente invention se rapporte à une structure de dissipation de chaleur par convection naturelle, destinée à équiper la périphérie d'un emballage pour le transport et/ou l'entreposage de matières radioactives, par exemple des assemblages de combustible nucléaire ou des déchets radioactifs.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

De l'art antérieur, il est connu d'assembler un dispositif externe d'évacuation de chaleur autour d'une surface extérieure d'un corps latéral d'un emballage, dans le but d'évacuer, vers le milieu ambiant, les calories émises par les matières radioactives contenues dans l'emballage.
Ce dispositif d'évacuation de chaleur est notamment conçu de manière à limiter la température atteinte en service par les différents éléments constitutifs de l'emballage, notamment les joints et les protections radiologiques, afin d'éviter tout risque de dégradation de ces éléments.
Par ailleurs, outre le fait de pouvoir assurer sa fonction principale d'échangeur de calories avec le milieu ambiant, ce dispositif est conçu de façon à être compatible avec les contraintes de services de l'emballage, telles que la décontaminabilité, la tenue dans le temps, la résistance aux agressions atmosphériques, la résistance aux conditions d'exploitation comme l'immersion lors du chargement et du déchargement, ou encore le confinement de la résine de blindage neutronique.
Une solution connue pour ce type de dispositif externe d'évacuation de chaleur se présente sous la forme d'une virole d'habillage enveloppant le corps latéral de l'emballage, et sur laquelle sont soudées des ailettes droites longitudinales de section appropriée. Ces ailettes sont également dites verticales, car elles sont orientées selon la direction verticale lorsque l'emballage repose lui-même verticalement.
Cependant, cette solution est perfectible car en pratique, elle conduit à un profil de température qui augmente progressivement en fonction de la hauteur de l'emballage, lorsque celui-ci repose verticalement.
Le document DE 29 10 115 A1 enseigne une structure de dissipation de chaleur par convection naturelle, destinée à équiper la périphérie d'une emballage d'une hauteur de 5,7m pour le transport de matières radioactives.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement à l'inconvénient mentionné ci-dessus, relatif aux réalisations de l'art antérieur.
Pour ce faire, l'invention a tout d'abord pour objet une structure de dissipation de chaleur par convection naturelle, destinée à équiper la périphérie d'un emballage pour le transport et/ou l'entreposage de matières radioactives, la structure présentant deux demi-structures adjacentes comprenant chacune des ailettes primaires parallèles et inclinées par rapport à une direction de la hauteur de la structure, les ailettes primaires des deux demi-structures formant deux à deux des ailettes en forme générale de V inversé, lorsque l'emballage est agencé verticalement avec son fond orienté vers le bas,
la structure présentant les paramètres suivants :

H : la hauteur de chaque demi-structure, dans la direction de la hauteur selon laquelle se succèdent les ailettes primaires inclinées, cette hauteur étant comprise entre 2 et 5 m ;
h : la hauteur de chaque ailette primaire, comprise entre 10 et 100 mm ;
d : la largeur de chaque canal primaire de circulation d'air défini entre deux ailettes primaires directement consécutives, cette largeur étant comprise entre 10 et 50 mm ;
Ep : l'épaisseur de chaque ailette primaire, répondant à la condition d/Ep ≥ 2,5 ;
L : la largeur de chaque demi-structure selon une direction transversale orthogonale à la direction de la hauteur, ladite largeur L répondant à la condition suivante : $0,30 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1}) \leq L \leq 3,5 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1})$

Les conditions géométriques particulières définies ci-dessus permettent d'améliorer sensiblement les performances convectives des ailettes, notamment vis-à-vis des ailettes droites verticales connues de l'art antérieur. De plus, de manière surprenante, il a été constaté qu'avec ces dimensions particulières, il se produit avantageusement un phénomène d'accélération des particules d'air au sein des canaux primaires, ce qui confère des performances thermiques accrues. Ce phénomène résulte de l'interaction entre les zones d'aspiration d'air à l'entrée des canaux primaires, et les zones de refoulement situées plus en aval de ces canaux. Plus précisément, une partie des particules d'air des zones de refoulement est recyclée sous forme d'un tourbillon qui permet d'entraîner davantage d'air frais à l'entrée de ces mêmes canaux. En d'autres termes, ces tourbillonnements créés au-dessus des ailettes et des canaux primaires, favorisent l'accélération de l'air dans ces derniers. Grâce à ce phénomène de tourbillonnement exploité dans la présente invention, les gains en termes de performances thermiques sont au minimum de l'ordre de 10% par rapport aux solutions à ailettes verticales, à surfaces d'échange thermiques identiques.
L'invention présente par ailleurs au moins l'une des caractéristiques optionnelles suivantes, prises isolément ou en combinaison.
Les deux demi-structures adjacentes sont agencées de façon sensiblement symétrique.
La structure présente un éventuel écartement Ec entre les extrémités en regard de deux ailettes primaires formant conjointement une ailette en forme générale de V inversé, les deux extrémités en regard formant la pointe du V, cet écartement Ec répondant à la condition Ec/L ≤ 0,2.
Les ailettes primaires sont droites et inclinées d'une valeur comprise entre 30 et 60° par rapport à la direction de la hauteur, et de préférence inclinées d'une valeur de 45° par rapport à cette même direction.
La largeur d est constante et identique pour tous les canaux primaires de circulation d'air de chaque demi-structure.
La largeur L de chaque demi-structure répond à la condition plus précise suivante : $0,55 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1}) \leq L \leq 1,8 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1})$
Dans cet intervalle restreint de valeurs, les performances convectives des ailettes sont encore accrues. Les gains en termes de performances thermiques sont au minimum de l'ordre de 25% par rapport aux solutions à ailettes verticales, à surfaces d'échange thermique identiques.
Les deux demi-structures sont distinctes l'une de l'autre, chacune présentant une plaque et ses propres ailettes primaires faisant saillie de la plaque. Cela confère une facilité de fabrication et d'assemblage.
Alternativement, les deux demi-structures peuvent être réalisées sur une même plaque de hauteur H.
Chaque demi-structure est sensiblement plane, ce qui confère ici aussi une facilité de fabrication.
L'invention a également pour objet un emballage pour le transport et/ou l'entreposage de matières radioactives comprenant un corps latéral équipé extérieurement de plusieurs structures de dissipation de chaleur comme celle décrite ci-dessus, ces structures étant réparties circonférentiellement autour du corps latéral.
De préférence, un écartement Ec' entre deux structures de dissipation directement adjacentes selon la direction circonférentielle, est sensiblement égal à l'écartement Ec.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront dans la description détaillée non limitative ci-dessous.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

Cette description sera faite au regard des dessins annexés parmi lesquels ;

la figure 1 représente une vue de face d'un emballage pour l'entreposage et/ou le transport de matières radioactives, comportant une structure de dissipation de chaleur selon un mode de réalisation préféré de la présente invention ;
la figure 2 représente une vue partielle en coupe prise le long de la ligne II-II de la figure 1 ;
la figure 3 est une vue agrandie de face d'une partie de la structure de dissipation de chaleur ;
la figure 4 est une vue en coupe prise le long de la ligne IV-IV de la figure 3 ; et
la figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 3, sur laquelle a été schématisé le principe de tourbillonnement d'air au-dessus des ailettes et des canaux primaires de la structure de dissipation de chaleur.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PRÉFÉRÉS

En référence tout d'abord aux figures 1 et 2, il est représenté un emballage 1 pour l'entreposage et/ou le transport de matières radioactives, comme des assemblages de combustible nucléaire ou des déchets radioactifs (non représentés).
Cet emballage 1 est représenté sur la figure 1 en position verticale d'entreposage, dans laquelle son axe longitudinal 2 est orienté verticalement. Il repose sur un fond d'emballage 4, opposé à un couvercle amovible 6 selon la direction de la hauteur 8, parallèle à l'axe longitudinal 2. Entre le fond 4 et le couvercle 6, l'emballage 1 comporte un corps latéral s'étendant autour de l'axe 2, et définissant intérieurement une cavité 12 pour le logement des matières radioactives.
Le corps latéral comprend généralement une virole intérieure 14 et une virole extérieure 16 concentriques, définissant un espace annulaire centré sur l'axe 2. L'espace est rempli par des moyens de conduction thermique 20 reliant les deux viroles 14, 16, ainsi que par des moyens de protection neutronique 22. Les moyens 20, 22 précités sont de conception classique et ne seront de ce fait pas davantage décrits.
La virole extérieure 16 est réalisée à l'aide d'une pluralité de structures 30 de dissipation de chaleur selon l'invention. Ces structures 30 sont réparties circonférentiellement autour de l'axe 2, et s'étendent chacune selon une hauteur H comprise entre 2 et 5 m selon la direction de la hauteur 8. Dans l'exemple montré sur la figure 2, les structures 30 comprennent des bases en forme de plaques rectangulaires, ces plaques comportent chacune deux chants longitudinaux. Ces plaques sont assemblées bout-à-bout par soudage au niveau de leurs chants en regard, de façon à reconstituer la virole externe 16.
Plus précisément en référence à la figure 3, il est représenté deux structures 30 adjacentes selon la direction circonférentielle 32 de l'emballage. Ces deux structures 30 sont identiques, et il en est de préférence de même pour toutes les structures 30 constituant la virole externe 16, leur nombre pouvant être compris entre 5 et 40.
Chaque structure de dissipation de chaleur 30 comporte deux demi-structures 30a, 30b de conceptions analogues, et étant agencées sensiblement symétriquement par rapport à un plan radial Pr de l'emballage. La demi-structure 30a comprend des ailettes primaires 40a droites et parallèles. Elles sont inclinées par rapport à la direction de la hauteur 8 de l'emballage, correspondant également à la direction de hauteur de la structure 30. L'angle d'inclinaison Aa des ailettes primaires 40a par rapport à la direction 8 est de préférence de l'ordre de 45°. De façon analogue et sensiblement symétrique, la demi-structure 30b comprend des ailettes primaires 40b droites et parallèles. Elles sont inclinées par rapport à la direction de la hauteur 8 de l'emballage, d'un angle d'inclinaison Ab de préférence de l'ordre de 45°. Néanmoins, la symétrie peut ne pas être parfaite, par exemple en prévoyant une faible différence dans la valeur des deux angles Aa, Ab, de l'ordre de 10 à 20°.
Les ailettes primaires 40a, 40b des deux demi-structures forment deux à deux des ailettes 44 en forme générale de V inversé, lorsque l'emballage est agencé verticalement avec son fond orienté vers le bas, comme sur les figures 1 et 3. Chaque ailette 44 ainsi formée par l'une des ailettes primaires 40a, et l'ailette primaire 40b en regard, adopte donc une forme de chevron.
Chaque demi-structure 30a, 30b peut être réalisée d'une seule pièce selon la direction 8, ou bien segmentée selon cette même direction. Dans ce dernier cas illustré sur la figure 1, les segments de demi-structure sont alors agencés dans la continuité les uns des autres, en étant soudés bout-à-bout.
De préférence, les deux demi-structures 30a, 30b sont distinctes l'une de l'autre, à savoir qu'elles comprennent chacune une plaque 46 de laquelle font saillie les ailettes primaires associées, comme cela a été représenté pour la demi-structure 30a sur la figure 4. Les deux plaques 46 sont assemblées entre elles par soudage au niveau de leurs chants en regard dans la direction circonférentielle, de façon à reconstituer une structure 30. Ainsi, les deux plaques assemblées 46 constituent ensemble la base précitée en forme de plaque rectangulaire, participant à reconstituer la virole extérieure 16.
Comme cela est illustré sur la figure 3, les deux demi-structures 30a, 30b sont de conception symétrique. Sur cette même figure 3, il est également représenté les canaux primaires 48a, 48b délimités respectivement par deux ailettes 40a, 40b directement consécutives, selon la direction 8.
Sur les figures 3 et 4, il a été identifié des paramètres géométriques déterminants pour l'obtention des performances thermiques inattendues, particulièrement élevées.
Il s'agit tout d'abord de la hauteur H de chaque demi-structure 30a, 30b, correspondant à la hauteur H de la structure 30 composé par ces deux demi-structure. Comme indiqué précédemment, la hauteur H est comprise entre 2 et 5 m, et de préférence proche de 4 m.
Il s'agit également de la hauteur h de chaque ailette primaire 40a, 40b, comprise entre 10 et 100 mm, et de préférence identique pour toutes les ailettes primaires.
La largeur d de chaque canal primaire de circulation d'air 48a, 48b fait aussi partie de ces paramètres importants. Cette largeur d est comprise entre 10 et 50 mm, et s'avère constante et identique pour tous les canaux 48a, 48b, sur toute la hauteur H.
Il s'agit aussi de l'épaisseur Ep de chaque ailette primaire 40a, 40b, répondant à la condition d/Ep ≥ 2,5. Cette épaisseur Ep est également de préférence identique pour toutes les ailettes primaires.
Enfin, la largeur L de chaque demi-structure 30a, 30b est également un paramètre clé. Cette largeur L, s'étendant selon une direction transversale orthogonale à la direction de la hauteur et assimilable à la direction circonférentielle 32, est identique pour les deux demi-structures et répond à la condition suivante : $0,30 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1}) \leq L \leq 3,5 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1})$
Par ailleurs, un éventuel écartement Ec peut être prévu entre les extrémités en regard de deux ailettes primaires 40a, 40b, formant conjointement une ailette en forme générale de V inversé 44. Cet écartement, agencé au niveau de la pointe de l'ailette 44, répond à la condition Ec/L ≤ 0,2. Les écartements étant alignés selon la direction 8, ils forment ensemble une sorte de canal vertical 54 de refoulement d'air, au niveau de la jonction entre les deux demi-structures 30a, 30b de la structure 30 de dissipation de chaleur.
En outre, il est de préférence prévu un écartement Ec' entre deux structures de dissipation 30 directement adjacentes selon la direction circonférentielle 32. Cet écartement Ec' est par exemple sensiblement égal à l'écartement Ec.
Cette combinaison de paramètres géométriques procure des performances thermiques très élevées, qui sont encore plus importantes lorsque ces paramètres répondent à la condition suivante : $0,55 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1}) \leq L \leq 1,8 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1})$
Encore plus préférentiellement, les gains en performances thermiques peuvent atteindre jusqu'à 90% par rapport à la solution conventionnelle à ailettes droites verticales, lorsque la largeur L se rapproche de la valeur spécifique définie par le produit suivant : 0,35 . H^0,5 . h^0,6 / d^0,1.
Dans tous les cas exposés ci-dessus, les gains en performances thermiques s'expliquent de manière inattendue et surprenante par l'obtention d'un phénomène d'accélération des particules d'air au sein des canaux primaires 48a, 48b. Cette accélération de l'air dans les canaux, schématisée par les flèches 56 sur la figure 5, résulte de l'interaction entre les zones d'aspiration d'air 58 à l'entrée des canaux 48a, 48b, et les zones de refoulement 60 situées plus en aval de ces canaux. Sur cette figure 5, les zones d'aspiration d'air 58 correspondent aux parties fortement grisées, en forme de triangle avec le sommet orienté vers le haut. Cela s'explique par le fait que ces zones d'aspiration 58, au sein des canaux 48a, 48b, sont plus étendues en allant vers le bas. A l'inverse, les zones de refoulement 60 correspondent aux parties moins grisées, en forme de triangle avec le sommet orienté vers le bas. Cela s'explique par le fait que ces zones de refoulement sont plus étendues en allant vers le haut.
Avec l'agencement proposé, lorsque les demi-structures sont chauffées, il se produit une convection naturelle conduisant l'air à entrer dans les canaux primaires 48a, 48b, puis à se propager vers le haut au sein de ces canaux, avant de rencontrer l'air provenant des canaux en regard appartenant à l'autre demi-structure. Cet impact en sortie des canaux primaires 48a, 48b, au niveau de la pointe des V inversés, conduit l'air à s'évacuer verticalement vers le haut. Mais simultanément, grâce à la proportion maîtrisée entre l'étendue des zones d'aspiration 58 et l'étendue des zones de refoulement 60 découlant des paramètre géométriques spécifiques mis en œuvre dans l'invention, il se crée des tourbillonnements et recirculations d'air au-dessus des ailettes et des canaux primaires 48a, 48b, favorisant l'accélération de l'air dans ces canaux. Ces tourbillonnements, schématisés par les flèches 62 sur la figure 5, sont obtenus du fait qu'une partie des particules d'air des zones de refoulement 60 est ré-aspirée dans les canaux primaires 48a, 48b en étant entraînées par les zones d'aspiration 58, tandis que des particules d'air des zones d'aspiration 58 sont entraînées par les zones de refoulement 60.

Claims

Structure (30) de dissipation de chaleur par convection naturelle, destinée à équiper la périphérie d'un emballage (1) pour le transport et/ou l'entreposage de matières radioactives,
la structure étant caractérisée en ce qu'elle présente deux demi-structures adjacentes (30a, 30b) comprenant chacune des ailettes primaires (40a, 40b) parallèles et inclinées par rapport à une direction de la hauteur (8) de la structure, les ailettes primaires (40a, 40b) des deux demi-structures (30a, 30b) formant deux à deux des ailettes (44) en forme générale de V inversé, lorsque l'emballage est agencé verticalement avec son fond (4) orienté vers le bas,
la structure présentant les paramètres suivants :
- H : la hauteur de chaque demi-structure (30a, 30b), dans la direction de la hauteur (8) selon laquelle se succèdent les ailettes primaires inclinées (40a, 40b), cette hauteur étant comprise entre 2 et 5 m ;

- h : la hauteur de chaque ailette primaire (40a, 40b), comprise entre 10 et 100 mm ;

- d : la largeur de chaque canal primaire (48a, 48b) de circulation d'air défini entre deux ailettes primaires directement consécutives, cette largeur étant comprise entre 10 et 50 mm ;

- Ep : l'épaisseur de chaque ailette primaire (40a, 40b), répondant à la condition d/Ep ≥ 2,5 ;

- L : la largeur de chaque demi-structure (30a, 30b) selon une direction transversale orthogonale à la direction de la hauteur (8), ladite largeur L répondant à la condition suivante : $0,30 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1}) \leq L \leq 3,5 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1})$
Structure de dissipation de chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que les deux demi-structures adjacentes (30a, 30b) sont agencées de façon sensiblement symétrique.
Structure de dissipation de chaleur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que les ailettes primaires (40a, 40b) sont droites et inclinées d'une valeur comprise entre 30 et 60° par rapport à la direction de la hauteur (8), et de préférence inclinées d'une valeur de 45° par rapport à cette même direction.
Structure de dissipation de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur d est constante et identique pour tous les canaux primaires (40a, 40b) de circulation d'air de chaque demi-structure (30a, 30b).
Structure de dissipation de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la largeur L de chaque demi-structure (30a, 30b) répond à la condition suivante : $0,55 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1}) \leq L \leq 1,8 . (0,35 . H^{0,5} . h^{0,6} / d^{0,1})$
Structure de dissipation de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les deux demi-structures (30a, 30b) sont distinctes l'une de l'autre, chacune présentant une plaque (46) et ses propres ailettes primaires faisant saillie de la plaque.
Structure de dissipation de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les deux demi-structures (30a, 30b) sont réalisées sur une même plaque de hauteur H.
Structure de dissipation de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque demi-structure (30a, 30b) est sensiblement plane.
Emballage (1) pour le transport et/ou l'entreposage de matières radioactives comprenant un corps latéral équipé extérieurement de plusieurs structures de dissipation de chaleur (30) selon l'une quelconque des revendications précédentes, réparties circonférentiellement autour du corps latéral.
Emballage selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'un écartement Ec' entre deux structures de dissipation (30) directement adjacentes selon la direction circonférentielle (32), est sensiblement égal à l'écartement Ec.