FR3009073A1

FR3009073A1 - Reacteur surgenerateur a sodium et azote

Info

Publication number: FR3009073A1
Application number: FR1301815A
Authority: FR
Inventors: Didier Costes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-29
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2015-01-30

Abstract

Réacteur surgénérateur à sodium et azote Des échangeurs à plaques en contre-courants sont proposés en particulier pour association à un réacteur nucléaire refroidi au sodium, alimentant un cycle moteur Joule-Brayton à l'azote sous pression pour la production d'électricité. Ces échangeurs seraient disposés en cercle autour du fût en béton contenant le réacteur, les normales aux plaques orientées selon les tangentes au cercle et les forces de pression ainsi transmises aboutissant à un anneau résistant en béton précontraint autour du fût. Les écartements entre plaques sont maintenus par interposition de tôles ondulées, orientées pour imposer les parcours de fluides. Les contours des plaques portent les conduits externes de fluide, gaz ou sodium, ouverts un intervalle sur deux. Les canalisations de sodium vers le réacteur sont en siphons, plus hauts que les niveaux de sodium dans le réacteur. Le réacteur est à cuve posée. On prévoit ainsi une fabrication économique et sûre pour les réacteurs surgénérateurs.

Description

-4- La présente invention concerne l'association d'un échangeur de chaleur à un réacteur nucléaire refroidi au sodium, pour chauffer un circuit de gaz en un cycle moteur. Après contribution au projet Phénix, l'auteur avait proposé, pour les surgénérateurs à sodium, la cuve à sodium posée à fond froid. Contenue dans une cuve de sûreté en béton refroidi, la cuve primaire, à paroi verticale entourée de gaz et posée sur le béton recouvrant le sol, contenait, sous le sodium circulant, du sodium statique en gradient thermique, associé à des matériaux granulaires et traversé par les supports de l'ensemble nucléaire. Le concept a évolué, selon brevet BF13/00615 du 18/3/2013, vers la cuve primaire représentée par une partie de la Figure 1. Dans un caisson 1 en béton posé sur le sol, à paroi interne cylindrique 2 et fonds / D 3 refroidis à l'ambiante par un circuit, est posée la cuve primaire 4 à paroi cylindrique dont le fond est une dalle compartimentée étanche 5, à environ 400°C (température admise pour la suite), couvrant une couche 6 de matériau isolant, réfractaire, hors sodium, en gradient thermique sur le béton refroidi. Cette dalle 5 repose sur le béton refroidi, par sa paroi en périphérie et par des appuis cylindriques de moindre rayon traversant également la couche isolante. En partie centrale, la dalle 5 constitue le sommier 7, qui porte les 15- éléments combustibles et autour d'eux une cuve interne 8. Dans l'espace annulaire autour de la cuve eme, ta dalle reçoit les pompes 9 qui injectent le sodium à 400°C dans le sommier, pour distribution dans les éléments, à des débits adaptés selon des moyens connus. Pris à 550°C au sommet de la cuve interne par des canalisations 10 en siphon, le sodium parvient aux échangeurs extérieurs 11 où il est refroidi â 400°C, puis repris par des canalisations 12 en siphon vers l'espace annulaire où aspirent les pompes qui Z0 créent la circulation. Les conduits en siphon, simplifiant les connexions et permettant les désamorçages comme il sera exposé, sont dus â M. Pierre Cachera. En cas de panne des pompes, la chaleur résiduelle est extraite par une circulation naturelle, obtenue par inclusion des retours 12 dans des cheminées 13 où circule en convection naturelle de l'alliage Na-K à bas point de fusion, refroidi en partie supérieure par de l'air contrôlé par des vannes automatiques. 2, La sûreté du concept tient au solide maintien des structures par le fond posé vis-à-vis de toutes agressions, aux circulations naturelles n'utilisant pas d'eau, et au fait que si un accident interne attaque le fond, le sodium ne pénètre que très peu dans l'épais matériau 6 isolant et réfractaire. Les cuves non posées, suspendues en périphérie, de plus faible résistance aux agressions, donnent lieu à un risque de fuite de sodium parvenant à un grand espace inférieur, d'où dénoyage du coeur et chute de matériaux 90 fondus (corium). On doit prévoir un ensemble de réception pour ces matériaux, et consentir à une importante dispersion radioactive. Dans l'habituel cycle moteur à eau-vapeur, le sodium primaire radioactif, susceptible de réagir avec u ou l'air, ne doit pas assurer un chauffage direct de l'eau. Un circuit intermédiaire en sodium non actif est utilisé. Pour le projet EFR de 1998, un tel circuit procurait, pour un sodium en sortie de coeur à 545°C, 35- une vapeur à seulement 490°C, 185 bar, donnant un rendement thermique de 0,408. Le projet ici présenté concerne l'adaptation à un tel réacteur d'un cycle de turbine à Joule-Brayton, excluant une réaction sodium-eau. Le gaz choisi est notamment amie Un riàanleli un tel cycle est décrit par le document CEA en Réf.1, qui conserve un circuit actif, estimé ici non nécessaire en l'absence d'eau. 1/0 Selon ce document, pour de l'azote à une pression maximale P, le cycle peut être ainsi constitué : - à P, préchauffage entre 82°C et 330° en échangeur azote-azote, - à P, chauffe de 330° à 515 °C en échangeur sodium-azote, - détente en turbine jusqu'à environ 0,4 P, 354°C, - refroidissement jusqu'à 96°C en échangeur azote-azote - refroidissement jusqu'à 27°C en échangeur azote-eau, - compression de 0,4 P à 0,6 P, 71°C, - refroidissement de 71° à 27°C en échangeur azote-eau, et compression à P, 82°C. 5- Pour les mêmes conditions de refroidissement et d'efficacité mécanique et thermique, le document indique des rendements de 0,389 pour P=180 bars, 0,381 pour 100 bars, 0,373 pour 70 bars. On retient ici le couple de pressions 70 et 28 bars, la température maximale pouvant être accrue en raison de l'absence d'un circuit secondaire de sodium, pour accroître le rendement. La Figure 1 montre l'extension du caisson 1 permettant de placer les échangeurs. Elle donne pour l'azote N2, à titre indicatif, /0 des températures ainsi majorées. Un échangeur peut être du type à tubes contenant le fluide sous pression, ou du type à plaques parallèles, ou alternent deux fluides d'une plaque à l'autre Pour des échanges avec un gaz, moins conducteur que l'eau et surtout le sodium, un important développement des surfaces est nécessaire. Dans les échangeurs à tubes, la distribution des fluides nécessite des ensembles étendus de collecteurs. Les y5--- échangeurs à plaques peuvent être compacts mais doivent supporter des différences de pression importantes, entre plaques et vers l'extérieur, ce qui peut conduire selon Réf.1 à les contenir dans des récipients de pression, les plaques étant séparées par des cales. Pour éviter ces récipients de pression, un échangeur à plaques selon l'invention est constitué d'un ensemble de plaques calées entre elles et contenues entre un cylindre résistant, notamment le caisson ZO contenant un réacteur nucléaire, et un anneau extérieur qui résiste aux forces de pression. Dans l'espace entre cylindre et anneau, les normales aux plaques peuvent être orientées dans le sens radial, les forces de pression s'exerçant directement vers l'anneau, ou dans le sens périphérique, la couronne de plaques dilatée par la pression étant contenue mécaniquement par l'anneau. La Figure 1 concerne cette deuxième option, de réalisation plus simple et qui impose moins d'effort sur l'anneau, mais la 23- première pourrait s'en déduire. Dans le plan des plaques, les forces sont contenues par les plaques elles-mêmes, en particulier les forces de tenue des collecteurs, qui s'appliquent sur des zones latérales à l'empilement de plaques, ouvertes vers une plaque sur deux. La Figure 1 montre donc, solidaire par le fond du mur cylindrique 20 du caisson 1, un anneau 21 prévu en béton précontraint résistant aux efforts radiaux, entourant l'espace annulaire 22 des échangeurs, d'une '3 d extension radiale de l'ordre de 2,5 m. On a figuré, pour l'un des intervalles de l'échangeur, les circulations des fluides chauffants descendants : sodium en partie supérieure, azote à 0,4 P en partie inférieure. Dans les intervalles intermédiaires non figurés, monte l'azote chaud à pression P chauffé par exemple jusqu'à 540°. Les canalisations 10 en siphon aboutissent à des conduits distributeurs de sodium 23 orientés tangentiellement au sommet des échangeurs, tandis que l'azote à pression P est collecté vers la turbine par les conduits 24. Le sodium refroidi à 400° quitte l'échangeur par des conduits 25 inscrits dans le mur 20 et par des canaux 26 inscrits dans l'anneau 21, ces conduits rejoignant les conduits 12. Dans cet intervalle, les deux fluides sont séparés par une fermeture 30 soudée entre les plaques. Les plaques à normales orientées dans le sens périphérique pourraient être contenues dans des plans radiaux, juxtaposées avec des écartements croissant vers l'extérieur et avec des cales de hauteur 40 progressive, mais ceci ne permet pas une fabrication aisée. On prévoit d'assembler en atelier des plaques planes rectangulaires équidistantes, pour former des échangeurs élémentaires parallelepipediques, ensuite alignés entre cylindre et anneau, séparés entre eux par des cales triangulaires, et appuyés par des cales en forme sur le cylindre et l'anneau. On peut disposer par exemple 24 échangeurs élémentaires sur le tour. Dans chaque échangeur, les plaques planes (section partielle en Figure 2) sont calées entre elles par des tôles ondulées dans le sens des parcours, en pièces juxtaposées de diverses orientations pour permettre des parcours vers les collecteurs d'entrée ou de sortie. Ces tôles en acier peuvent être régulièrement perforées. Le pas de l'ondulation doit être tel que les plaques planes entre deux appuis sur ces tôles supportent les différences de pression sans déformations permanentes. Pour une différence de pression P et un pas d'ondulation L, le moment de flexion par longueur unité est PL2/8, tandis que pour l'épaisseur e et la limite élastique a le moment résistant est ae2/6. Pour P=70 bars, pression supposée s'appliquer dans certains cas, et a=1500 bars, il faut L<5,34 e. Selon Figure 2, on admet des plaques d'épaisseur e=1,5 mm, et entre elles des écarts de 5mm. Le pas L d'ondulation des tôles est de 8 mm. Leur épaisseur peut être de 1 mm. la longueur de la tôle courbée entre deux points d'appui étant de 6 mm. Pour une largeur de plaque de 4 mm, le périmètre d'acier au contact du '10 gaz est ainsi de 20 mm, et la section libre de s=4*5-6=14 mm2, surface d'un cercle de diamètre 4,22mm, périmètre 13,26 mm dans l'épaisseur de plaque tous les 4 mm. Sur une épaisseur par plaque de 6,5 mm, l'acier occupe 3 mm. Pour obtenir des ordres de grandeur sur les échanges thermiques, on suppose, de part et d'autre d'une plaque, des écoulements d'azote à 28 et 70 bars, et températures fixées. On utilise les formules publiées tj- pour les conduits cylindriques de diamètre D, supposées pouvoir correspondre au cercle indiqué. Dans un conduit, soit P la pression en pascals, p =24/22400 273/K P/100000 la masse spécifique en kg/m3, V la vitesse moyenne en m/s, Cp=1100J/kgK la chaleur spécifique, X= 0,053W/mK la conduction, g =0,000033 Pa.s la viscosité, Pr= g Cp/ X le nombre de Prandtl , Re=pVD/ µ le nombre de Reynolds . Le flux thermique est donné par le nombre de Nüsselt Nu= hD/ X, selon la formule de Colburn Nu=0,025 ReA0,8 PrA0,33 03 (valeurs indiquées 0,023 à 0,029). On admet Pr=0,685, Pr^0,33=0,88, d'où Nu=0,022 Re^0,8., - Pour un écoulement d'azote en moyenne à 400°C, 28 bars, p =12,17 kg/m3, à 18 m/s, pV2/2=1971 Pa, débit sur la section de 14 mm2 tous les 4mm 252 cm3 /s, soit sur 1 m2 252*250 cm/s=63 dm3/s ou 0,768 kg/s, Re= 12,17*18*0,00422/0,000033=28013, ReA0,8=3613, Nu==0,022*3613=80, pour un écart de 1°, flux thermique h=1260 W/m sur un périmètre de 13,26 mm tous les 4 mm de large, soit 4,177 kW/m2, en négligeant les écarts de température dans l'acier des plaques. Perte de charge (ref.3,p.168) dp/dx=k/d pV2/2, avec k=0,3164 Re"-.25= 0,3164*0,0773, = 0,0245 dp/dx=0,0245*1971/0,00422=11443 Pa/m soit 1,15 bar pour un trajet de 10 m. - Pour un écoulement d'azote en moyenne à 350°C, 70 bars, p =32,86 kg/m3, à 6,66 m/s, pV2/2=729 Pa, 0 mêmes débit, Re, N, h, Perte de charge dp/dx=0,0245*729/0,00422=7540 Pa/m soit 0,75 bar sur 10 m. On admet des écarts de 10°entre flux et paroi soit 20°entre les flux. La chaleur transmise serait de 41 kW/m2 en négligeant les écarts de température dans l'acier des plaques. On suppose 35 kW/m2. On note qu'en laminaire la conduction ne procurerait un tel flux que pour un gradient thermique de 660° par mm, alors qu'entre plaques le gradient est de l'ordre de 5° par mm. Ceci tient à l'importance du nombre de Nüsselt dans lequel joue la turbulence, mesurée par le nombre de Reynolds, et, dans l'épaisseur de la plaque, à la transmission de la chaleur par la tôle d'acier incorporée. Des expériences sont nécessaires pour préciser un dimensionnement. Les valeurs obtenues sont compatibles avec celles supposées pour le cycle de la turbine. Dans ce cycle, pour un réacteur de puissance électrique 1300 MW, avec un rendement de 0,38 soit qt0 une puissance thermique de 3420 MW, le préchauffage du gaz s'effectue de 82° à 350°, soit 268°, alors que le sodium l'échauffe de 330° à 515 soit 185°C pour 3420 MW. La puissance des échangeurs gaz/gaz est donc de 3420*268/185= 4955 MW. Pour une transmission de 35 kW/m2 leur surface est 4955000/35=141570 m2. On suppose une hauteur de 6 m consacrée à l'échange gaz/gaz et une hauteur totale de 10 m avec l'échange sodium/gaz et les trajets internes en oblique. On prévoit donc avant expériences une surface totale de 236000 m2. Chaque plaque prend une épaisseur de 5+1,5=6,5 mm d'où un volume total de 1534 m3 Pour un diamètre du caisson de 20 m, la périphérie est de 62,8m, correspondant à 24 échangeurs, 5-- chacun de 64 m3. Pour une hauteur de 10 m, l'extension radiale est de 2,46 m. Chaque échangeur contient 64*3/6,5= 29,54 m3 d'acier d"où une masse de 230 tonnes. Les conduits 12 plongeant autour de la cuve interne 8 sont entourés de tubes 13 destinés au refroidissement de secours. On prévoit dans ces tubes une circulation naturelle d'alliage Na-K à bas point de fusion, chauffé en bas par le sodium et refroidi à la demande en partie haute par l'air ambiant, avec I 0 retour du Na-K par une cheminée centrale isolante. Une fuite d'azote dans le sodium, reprise par les pompes et envoyée dans le coeur, pourrait donner lieu à une excursion de puissance neutronique. La fuite désamorçant les conduits en siphon devrait interdire cet envoi de gaz. Des aspirations continues sur les siphons permettent cependant de détecter une fuite. Après baisse de puissance, la fuite est alors interrompue par un désamorçage provoqué. On veille 15- cependant à éloigner des aspirations de pompes les arrivées des conduits 12. Le réacteur ainsi figuré, avec cycle moteur à l'azote et nombreux échangeurs, vise à permettre une grande sûreté et une construction économique, sans perte sensible sur le rendement thermique par rapport aux réacteurs connus. Ref 1. Innovative power conversion system for the French SFR prototype Astrid. L. Cachon et al, French Commission for Atomic Energy and Alternative energy, ICAPP'12, Chicago, Paper 12300 Ref 2. Initiation aux transferts thermiques, J.F Sacadura cordonnateur, Editions Tec et Doc, 1980. Ref 3. Guide à travers la Mécanique des Fluides. L.Prandtl, 1952, Dunod Ch III par. 11

Claims

REVENDICATIONSRevendication 1. Echangeur à contre-courants formé de plaques accolées, caractérisé en ce que la résistance aux pressions des fluides est assurée par des cales entre les plaques et par l'appui des plaques extrêmes entre un cylindre résistant et un anneau résistant autour de ce cylindre. Revendication
2. Echangeur selon revendication précédente, caractérisé en ce que les plaques sont rectangulaires et parallèles, formant un parallélépipède. Revendication
3. Echangeur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les cales entre plaques sont constituées par des tôles ondulées, les ondulations étant dans chaque partie orientées selon les parcours choisis pour les courants fluides. Revendication
4. Ensemble d'échangeurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit cylindre résistant est constitué par le caisson en béton contenant un réacteur nucléaire. Revendication
5. Ensemble d'échangeurs selon revendications 1 et 4, caractérisé en ce que ledit anneau est en béton et solidaire par le fond dudit caisson. Revendication
6. Ensemble d'échangeurs selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est parcouru par un gaz incorporé à un circuit moteur de type Joule-Brayton. Revendication
7. Ensemble selon Revendication 5, caractérisé en ce que dans chaque échangeur un premier étage d'échange est étendu sur une partie de la longueur et chauffe, à partir d'un gaz détendu dans une turbine, un gaz à haute pression fourni par un compresseur, et en ce qu'un second étage chauffe le même gaz à partir d'un circuit primaire chaud, ce gaz étant ensuite détendu dans la turbine. Revendication
8. Ensemble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ledit circuit primaire chaud est constitué par le sodium d'un réacteur nucléaire à neutrons rapides, prélevé par des tubes en siphon plongeant dans la cuve chaude du réacteur, et revenant refroidi vers une autre cuve du réacteur, par d'autres tubes en siphon.