FR3044748B1 - Four a creuset froid a chauffage par deux inducteurs electromagnetiques, utilisation du four pour la fusion d'un melange de metal(ux) et d'oxyde(s) representatif d'un corium - Google Patents

Abstract

Four à creuset froid comprenant : - un creuset pour contenir un matériau conducteur électrique à faire fondre, aux parois en matériau conducteur électrique, et comprennent une enveloppe latérale, cylindrique de révolution autour d'un axe X et une sole munie d'au moins un bouchon, l'enveloppe latérale et la sole étant chacune divisée en secteurs isolés électriquement, parallèles à X; - au moins un inducteur latéral à au moins une spire enroulée autour de l'enveloppe latérale; - au moins un inducteur de fond, à au moins une spire enroulée autour de X en regard de la face inférieure de la sole en laissant dégagée une zone en dessous du bouchon, - au moins un concentrateur à flux magnétique constitué d'une pièce ferromagnétique comprenant au moins une paroi latérale et une paroi de fond agencées en regard de la face inférieure et de la périphérie extérieure de l'inducteur de fond.

Description

FOUR A CREUSET FROID A CHAUFFAGE PAR DEUX INDUCTEURS ELECTROMAGNETIQUES, UTILISATION DU FOUR POUR LA FUSION D’UN MELANGE DE METAL(UX) ET D’OXYDE(S) REPRESENTATIF D’UN CORIUM

Domaine technique

La présente invention concerne un four à creuset froid à chauffage par induction électromagnétique, destiné à faire fondre au moins un matériau conducteur électrique, tel qu'un oxyde et/ou un métal, comprenant deux inducteurs à au moins une spire.

Le four selon l’invention à creuset froid, peut être un four à auto-creuset.

Une application visée particulièrement intéressante est la fusion d’un mélange de métal(ux) et d’oxyde(s). Un corium est un mélange de matériaux fondus (UO2, Z1O2, Zr, acier) qui, dans des cas d’accidents nucléaires graves, est susceptible de se former lors de la fusion des assemblages de combustibles nucléaires et des barres de contrôle nucléaire.

Bien que décrite en référence à la fusion d’un corium, l’invention s’applique également à la fusion par induction électromagnétique de tout matériau conducteur électrique. On précise ici que la fusion peut tout à fait être réalisée sur un oxyde qui bien que constituant un très bon isolant électrique à froid, est conducteur au-delà d’une certaine température. Aussi, dans le cadre de l’invention, lorsque la fusion d’un oxyde doit être réalisée, celle-ci est d’abord initié au moyen d’une résistance, de préférence sous la forme d’un anneau métallique, usuellement appelé suscepteur métallique, autour du four, puis une fois que l’oxyde a atteint une certaine température et est donc conducteur, l’induction avec le four selon l’invention est possible dans l’oxyde. L’invention s’applique ainsi en particulier aux fours utilisés en fonderie ou en métallurgie.

Etat de la technique

Dans le domaine de la fonderie ou de la métallurgie, l'élaboration de matériaux nécessite généralement leur fusion et le maintien dans leur état liquide pendant un temps suffisamment long pour obtenir l'homogénéisation du liquide vis à vis des divers constituants ou de la température ou pour permettre à des réactions chimiques de s'accomplir au sein du liquide. Pour ce faire, il importe qu'un brassage anime le liquide.

Ainsi, dans ces domaines, un procédé largement répandu pour réaliser la fusion de masses de métal importantes est celui du chauffage par induction électromagnétique dans un four à creuset. Les avantages majeurs d’un tel procédé sont sa simplicité de mise en œuvre, son efficacité et le fait qu’il évite tout contact entre la source d'énergie thermique et le métal.

On a illustré en figure 1, un four 1 à chauffage par induction comprenant un creuset 2 destiné à contenir une charge 3, c’est-à-dire une certaine masse et volume d’un matériau conducteur électrique. L’enveloppe latérale du creuset 2 est entourée d'un inducteur 4 alimenté en courant alternatif à une certaine fréquence élevée, destiné à chauffer par induction électromagnétique la charge 3 contenue dans le creuset.

Comme illustré sur cette figure 1, les parois du creuset sont réalisées en un matériau réfractaire, par exemple du pisé ou un matériau conducteur, par exemple du graphite. Un inconvénient de ces creusets est que leurs parois s'élèvent à la température de la charge. Ainsi, le matériau réfractaire constituant ces parois (le contenant) et les impuretés qui y sont contenues sont susceptibles de diffuser dans la charge en fusion (le contenu), ce qui est particulièrement gênant dans le cas où les creusets sont destinés à contenir des matériaux très réactifs, par exemple des alliages à base de titane ou de verres/d’émaux, dont le traitement est destiné à fournir un produit de très haute pureté. Cela est également gênant dans le domaine particulier de mise en œuvre qui est celui des inventeurs : ils ont en effet été confrontés à la nécessité de réaliser la fusion d’un mélange de métal et d’oxydes représentatif d’un corium (UO2, Ζ1Ό2, Zr, acier). Or, non seulement la même problématique de diffusion dans la charge du matériau réfractaire se pose, mais en outre la température à atteindre pour la fusion du corium est de l’ordre 3 000°K, la température de fusion de l’UO2 étant de cet ordre de grandeur. Aucun matériau réfractaire, hormis la thorine (TI1O2) dont l’approvisionnement est rendu impossible du fait du caractère radioactif du thorium (Th), n’est capable de tenir cette température.

En outre, il existe d’autres inconvénients pour le creuset. Tout d’abord, le matériau de la charge en fusion peut venir pénétrer peu à peu dans le contenant à cause de sa porosité. Le contenant se dissout peu à peu à cause de la réactivité forte du matériau en fusion. La fusion ne peut alors durer longtemps.

La température de fonctionnement des parois du creuset (contenant) est donc dans les conditions évoquées précédemment, nécessairement limitée.

Ainsi, la solution possible pour réaliser la fusion de matériaux réactifs avec les matériaux réfractaires et/ou de température de fusion très élevée consiste à utiliser un creuset mettant en œuvre le même principe de chauffage par induction électromagnétique mais appelé creuset froid ou encore à parois froides. On parle également dans la littérature de four à induction du type à auto-creuset car, à la périphérie interne du four, contre les parois froides, se forme une couche solidifiée du matériau proprement dit de la charge qui peut être considérée comme constituant la paroi interne du creuset. Les fours à creuset froid ont déjà fait leurs preuves sur de petites quantités, typiquement quelques dizaines de kilos de charge de métal.

Les matériaux réactifs qui peuvent être ainsi fondus à haute température au-delà de 1500°C, voire atteignant les 3100°C dans des fours à creuset froid peuvent être aussi bien métalliques, comme le titane, l’acier ou des alliages divers, que des oxydes comme le verre, l’oxyde de titane, de terre rare ou un mélange de ceux-ci comme le corium évoqué ci-dessus ou bien encore des matériaux peu conducteurs, tels que le silicium, les émaux, les verres...

On a représenté aux figures 2 à 4, une partie d’un tel four à creuset froid 1: le creuset 2 est formé par des parois en matériau électriquement conducteur, divisée verticalement en plusieurs secteurs longitudinaux 20, creux, isolés électriquement les uns des autres. Ces secteurs 20 sont couramment en un métal tel que du cuivre qui présente l'avantage d'avoir une faible résistivité électrique et de présenter de bonnes qualités d'échange thermique. Ces secteurs sont en outre parcourus intérieurement par une circulation de fluide de refroidissement (non représenté), couramment de l'eau. Ce fluide de refroidissement permet de maintenir la surface interne des secteurs 20 en contact avec la charge liquide à une température bien inférieure à la température de fusion de la charge, typiquement inférieure à 300°C.

Selon les contraintes du procédé de fusion, le creuset froid 2 peut comprendre des secteurs 20 distincts entre l’enveloppe latérale 21 appelée aussi virole et le fond 22 appelé aussi sole comme illustré en figure 2. Dans cette configuration, l’interface entre enveloppe latérale 21 et sole 22 a plutôt une forme rectangulaire.

Chaque secteur 20 de l’enveloppe latérale 21 et de la sole 23 peut aussi constituer un seul et même secteur 20 comme illustré en figure 3. Dans cette configuration, il est possible d’avoir des secteurs 20 dont la paroi intérieure entre l’enveloppe latérale 21 et la sole 22 présente une forme hémisphérique. L’enveloppe latérale 21 du creuset froid 2 est agencée à l'intérieur d'un inducteur 4 à au moins une spire, alimenté en courant alternatif I à une certaine fréquence qui crée des courants induits I dans les secteurs 20, courants I qui se referment en parcourant la paroi interne du creuset et dans lequel ils créent un champ magnétique. Ainsi, le courant à haute fréquence circulant dans l’inducteur 4 produit un courant périphérique dans chacun des secteurs 20. L'ensemble des courants à la périphérie interne de chaque secteur 20 produit un champ électromagnétique dans la charge contenue du creuset. En effet, tout matériau conducteur électrique dans un tel creuset est le siège des courants induits qui en interaction avec le champ magnétique créé par l’inducteur 4 entraîne l’apparition de forces électromotrices dites forces de Lorentz. Ainsi, les courants induits dans la charge qui correspondent à la somme de l’induction directe par l’inducteur 4 et de l’induction indirecte par le creuset froid 2 permettent de chauffer le(s) matériau(x) de la charge jusqu'à la fusion et la charge liquide est brassée du fait des forces de Lorentz mais aussi de la convection naturelle engendrée par les gradients thermiques dans la charge liquide.

Du fait du circuit de refroidissement, la température de la surface interne des secteurs 20 est bien moindre que celle de la charge en fusion, et il se produit une solidification rapide du matériau fondu en contact avec les secteurs 20 du creuset 2 et également avec la sole 22, ce qui crée une couche-barrière de diffusion solide évitant toute réactivité entre le matériau des secteurs et celui en fusion. Autrement dit, il y a création d’une croûte de faible épaisseur, par solidification de la charge sur quelques millimètres voire centimètres que l’on nomme dans l’état de l’art auto-creuset de la charge ou creuset froid. Ce creuset froid admet un gradient thermique d’une température de l’ordre de 20°C à 250°C avec le creuset froid en cuivre jusqu’à la température de solidus de la charge en fusion.

Ainsi, les fours à creuset froid présentent tous les avantages des fours à chauffage par induction à creuset dit « chaud » mentionné ci-dessus, tels que l’utilisation aux hautes températures, avec en outre une grande pureté de la charge due à l’absence de pollution par le creuset, la réalisation d’un brassage qui rend la composition de la charge liquide en fusion uniforme et améliore les transferts thermiques et donc augmente l’homogénéité de température.

En revanche, les fours à creuset froid connus présentent de par leur principe de fonctionnement plusieurs contraintes.

Comme évoqué ci-avant, l’inducteur latéral 4 qui chauffe la charge de matériau à fondre injecte une puissance par effet Joule dans le matériau qui se situe à une certaine épaisseur en périphérie de la charge dont la valeur varie en fonction de la fréquence du courant d’alimentation de l’inducteur et de la résistivité de la charge du matériau à fondre. La partie inférieure du creuset étant en matériau électriquement conducteur, tel que le cuivre, elle modifie les lignes de champ magnétique et donc les courants induits. Ainsi, la puissance par effet Joule injectée est moins forte dans la partie inférieure du creuset, comme illustré en figure 5 où l’on voit clairement que la distribution Σ de densité de puissance induite diminue linéairement, rapidement au fur et à mesure que l’on se rapproche de la sole 22.

Ce phénomène combiné au refroidissement des secteurs 20 de l’enveloppe latérale 21 et de la sole 22 conduit à une épaisseur de croûte qui est plus importante sur la sole 22 que sur l’enveloppe latérale 21, comme montré en figure 6. Typiquement, l’épaisseur de croûte el sur la sole 22 peut être de 2 à 3 fois plus voire jusqu’à 10 fois l’épaisseur e2 sur l’enveloppe latérale 21 selon la configuration de l’inducteur latéral 4 et le refroidissement retenu. Sur la figure 6, on distingue clairement la croûte formée avec ses deux épaisseurs el, e2 qui contient le bain liquide B de fusion du ou des matériaux avec une zone de transition T entre eux. Ainsi, le bain liquide B est en partie supérieure et ce malgré les phénomènes thermo-hydrauliques renforcés par les forces de Lorentz générés par l’inducteur latéral 4.

Les épaisseurs de croûte varient selon le type de matériau(x) que l’on cherche à fondre. Plus la conductivité thermique est faible, plus l’épaisseur de croûte peut être importante. On précise ici que pour les matériaux transparents comme le verre, il faut considérer une conductivité thermique apparente avec un partie due à la conduction et une partie due au rayonnement. Pour les métaux pour lesquels la conductivité thermique est assez élevée, typiquement de l’ordre de 10 à 50 watt par mètre-kelvin (W-m'^K'1), l’épaisseur de croûte peut être de l’ordre du mm, tandis que pour des oxydes et/ou pour des matériaux de faible conductivité thermique, typiquement de l’ordre de 1 à 5 W-m_1-K' 1, l’épaisseur peut atteindre plusieurs dizaines de mm.

Une fois le(s) matériau(x) fondu(s), la coulée de celui-ci (ceux-ci) à l’état liquide par fusion peut alors s’effectuer. Sur ce point, il est important de prendre en compte le fait que plus la masse de l’auto-creuset qui ne peut être donc coulée, est importante plus le rendement matière du procédé de fusion est diminué.

Deux modes de coulée peuvent être envisagés : soit par basculement du creuset, soit par gravité par retrait d’un bouchon 23 logé dans la sole 22.

Dans bon nombre d’applications, le mode par basculement du creuset ne peut être retenu pour des raisons technologiques et de coût. En particulier, dans le domaine de mise en œuvre auquel ont été confrontés les inventeurs, la fusion d’un mélange de matériaux représentatif d’un corium impose la mise sous atmosphère contrôlée. Envisager le basculement d’un four à creuset froid sous une telle enceinte impliquerait le dimensionnement d’une très grande enceinte. En outre, du fait que le four comprend des circuits de refroidissement qui sont physiquement présents sur toute sa périphérie, un basculement nécessiterait de prendre des mesures très complexes. Enfin, le temps dédié au basculement peut-être très contraignant.

La coulée par gravité présente elle aussi un certain nombre de contraintes. Tout d’abord, une fois bouchon retiré, afin de dégager une ouverture traversante par laquelle le bain liquide de matériau ou le mélange de matériaux va pouvoir s’écouler, il est nécessaire de venir casser la croûte en fond de creuset. Cela s’effectue par un élément mécanique de type percuteur.

Or, plus l’épaisseur de la croûte est importante, plus il est difficile de la casser voire impossible sans détériorer l’intégrité de la croûte et/ou de l’équipement autour.

Aussi, pour parvenir à effectuer la coulée classique consiste à surchauffer le bain liquide en fusion. Cependant, les pertes thermiques sont importantes car il y a à la fois des pertes par rayonnement en surface du bain, des pertes par conduction sur les parois du creuset et des pertes par convection selon l’atmosphère environnante. Ces pertes induisent un rendement général du procédé qui peut être très faible de l’ordre de 10%. Et, dans le cas d’une surfusion, les pertes sont encore augmentées d’un facteur de 1,5 à 2 fois en fonction de la température de surfusion, ce qui impacte encore davantage le rendement du procédé. Pour compenser cela, on augmente classiquement la puissance électrique du générateur d’induction et on dimensionne davantage le système de refroidissement. L’équipement global est donc surdimensionné uniquement pour la coulée, avec un surcoût afférent. Même en prenant ces dispositions, il n’est pas certain que la surfusion soit suffisante pour assurer la coulée.

Une solution qui a déjà été envisagée consiste à ajouter un inducteur localement autour de la zone de coulée en dessous de la sole, qui est la zone d’emplacement du bouchon et destinée à être dégagée par le retrait de ce dernier. On a schématisé en figure 7 un tel inducteur, dit de coulée 4’ tel qu’il est agencé autour de la zone de transfert 24 de la coulée. Cet inducteur de coulée 4’ permet de créer des courants induits supplémentaires autour de la zone du bain liquide Zb à l’aplomb de la zone de coulée 24 et donc de réchauffer cette zone Zb ce qui vient ainsi affaiblir la croûte à ce niveau. La figure 8 schématise les distributions de densité de puissance ΣΙ, Σ2 induites respectivement par l’inducteur latéral 4 et l’inducteur de coulée 4’.

Cette solution avec inducteur de coulée est par exemple décrite dans les publications [1] à [7] ou bien encore dans le brevet EP1045216B1. Cette solution concerne uniquement la fusion de métal, comme celui des débris de titane selon ce brevet, à une température au plus de 1700°C et ne peut donc convenir dans une problématique de fusion d’oxydes.

Certains procédés de fusion nécessitent des creusets, dont le diamètre est bien supérieur à leur hauteur. Il est alors nécessaire d’agencer l’inducteur en dessous de la sole. Un tel inducteur, dit de fond 5 est montré schématiquement en figure 9, où l’on voit également la distribution de densité de puissance Σ3 qu’il génère. Dans cette configuration, les pertes thermiques par convection peuvent être importantes car directement liées à la surface libre du bain liquide et les pertes thermiques par conduction sur la paroi de l’enveloppe latérale ne sont pas compensées du fait de l’absence d’inducteur latéral.

En résumé, les inconvénients des fours à creuset froid classiques sont liés à une épaisseur de croûte qui est (trop) importante dans la direction orthogonale à l’emplacement de l’inducteur, en général sur le fond (sole) du fait de l’agencement d’un inducteur latéral dans la plupart des cas. Cette épaisseur importante oblige à réaliser une surchauffe du bain liquide afin de réduire localement la croûte, ce qui a comme inconvénients majeurs d’augmenter les pertes thermiques et de nécessiter un surdimensionnement de la puissance du générateur d’induction et du circuit de refroidissement du four.

Une solution qui a déjà été envisagée, telle que décrite dans la publication [8], consiste à ajouter une spire latérale très éloignée des spires positionnées en dessous de la sole et formant au final un seul inducteur avec l’inducteur du fond. Cette spire latérale injecte une puissance localisée en partie supérieure du bain. Cette solution n’est pas adaptée à la fusion totale (latérale et fond) de matériaux tels que considérés dans l’application principale visée dans le cadre de l’invention.

Une autre solution consiste à agencer deux inducteurs, c’est-à-dire à ajouter en plus de l’inducteur latéral, un inducteur, dit de fond, en dessous de la sole mais en laissant dégagée la zone de coulée.

Il est ainsi possible d’obtenir une continuité de la densité de puissance dans le ou les matériaux à faire fondre, ce qui permet de diminuer l’épaisseur de la croûte en fond, i.e. en contact avec la sole, et ce sans qu’il soit nécessaire de surchauffer le bain liquide comme dans les solutions classiques évoquées ci-avant. Sans surchauffe pour obtenir la surfusion, les pertes thermiques ne sont pas augmentées de façon importante et la puissance d’induction peut être mieux optimisée.

Le brevet US4609425 décrit une telle solution avec un four à creuset froid à deux inducteurs séparés dont un latéral et un de fond. La température de fusion que l’on peut obtenir avec le four décrit est limitée à environ 1550°C, ce qui écarte toute fusion avec des oxydes. En outre, la tenue en température et la mise en œuvre du matériau diélectrique de la sole du four est délicate et ne peut convenir pour des fusions de l’ordre de 2200°C et préférentiellement 3000°C.

Le brevet US 4687646 divulgue aussi un four à creuset froid avec un inducteur latéral et un inducteur de fond. Ce brevet fait certes mention de fusion d’oxydes mais le four divulgué ne peut de fait réaliser la fusion d’un mélange mixte d’oxydes/métal, présente les mêmes inconvénients que le four selon le brevet US 4609425 et en outre, du fait de sa configuration, interdit toute coulée par gravité.

Le brevet JP 10253260 divulgue également un four à creuset froid à deux inducteurs séparés qui ne permet la fusion que de métaux, avec des fréquences d’induction très basses de l’ordre de 60Hz et des températures de fusion inférieures à celles des oxydes. Les auteurs de ce brevet cherchent à éviter à tout prix la formation d’une croûte et donc dédient l’inducteur de fond à soulever la masse en fusion de sorte qu’elle ne vient pas en contact avec la sole. Le support de l’inducteur de fond et la sole selon ce brevet sont conformés pour définir un circuit d’eau de refroidissement de l’inducteur de fond. De ce fait, la sole doit être étanche et ses parois sont donc nécessairement continues, c’est-à-dire qu’elle n’est pas divisée en secteurs. Aussi, si on cherchait à faire fonctionner l’inducteur de fond proposé à des fréquences d’induction plus élevées, il est très vraisemblable que les courants induits ne pourraient traverser la sole ou tout du moins suffisamment pour créer une fusion satisfaisante. Plus précisément, pour obtenir une fusion d’oxydes, la fréquence d’induction doit être de quelques centaines de kHz voire 100kHz. Les forces de Lorentz sont assez faibles. Donc, si on cherche à obtenir une température de fusion élevée, un matériau diélectrique de la sole ne peut convenir. A contrario, si la sole selon ce brevet JP 10253260 est métallique, étant donné qu’elle n’est pas sectorisée, le champ magnétique induit à une haute fréquence, de l’ordre de 100kHz, ne pourrait traverser la sole et donc ne pourrait développer des courants induits dans la charge à fondre.

En sus des inconvénients précités des brevets US 4609425, US 4687646 et JP 10253260, les solutions divulguées à deux inducteurs séparés, un latéral et un de fond, présentent un inconvénient majeur. Chacun des deux inducteurs peut induire des courants dans des pièces environnantes. En particulier, et surtout le courant induit par l’un des inducteurs vient perturber l’autre inducteur et vice et versa, phénomène que l’on désigne usuellement sous le terme de « mutuelles ». Outre le fait que le rendement de l’inducteur perturbé est réduit, notamment celui de fond, cela présente le risque que les perturbations soient rédhibitoires pour deux générateurs de courant indépendants avec des fréquences de fonctionnement potentiellement différentes, dont l’électronique de commande peut ne pas supporter les courants induits en retour. Dans le cas d’un unique générateur de courant pour les deux inducteurs combiné à un système de répartition de puissance sur les deux inducteurs, la fréquence de fonctionnement est donc identique. Les mutuelles peuvent alors venir seulement diminuer le rendement et ne pas avoir une distribution de densité de puissance optimisée.

Il existe donc un besoin pour améliorer les fours à creuset froid à chauffage par induction électromagnétique, en particulier en vue de permettre une diminution de l’épaisseur de la croûte sur la sole et ce sans générer une surfusion du bain liquide du ou des matériaux en fusion, notamment qui contien(nen)t des oxydes, et/ou sans augmenter de manière notable le coût d’équipement des fours, et/ou sans générer de courants induits néfastes susceptibles de perturber les pièces environnantes du ou des inducteurs, notamment les générateurs de courant.

Le but de l’invention est de répondre au moins en partie à ce besoin.

Exposé de l’invention :

Pour ce faire, l’invention a pour objet, sous l’un de ses aspects, un four à creuset froid, à chauffage par induction électromagnétique, destiné à faire fondre au moins un matériau conducteur électrique, tel qu'un oxyde et/ou un métal, comprenant : - un creuset pour contenir le matériau à faire fondre, dont les parois sont en matériau conducteur électrique, de préférence en cuivre, et comprennent une enveloppe latérale de forme générale cylindrique de révolution autour d’un axe X et un fond, appelé sole, muni d’au moins un bouchon, l’enveloppe latérale et la sole étant chacune divisée en secteurs isolés électriquement, qui s’étendent parallèlement à l’axe X; - au moins un inducteur, dit inducteur latéral à au moins une spire, enroulée autour de la périphérie extérieure de l’enveloppe latérale ; - au moins un inducteur, dit inducteur de fond, à au moins une spire enroulée autour de l’axe X en regard de la face inférieure de la sole en laissant dégagée une zone en dessous du bouchon.

Les deux inducteurs, i.e. celui latéral et celui de fond, servent à la fusion et à l’homogénéisation de la charge à fondre.

Selon l’invention, le four comprend en outre au moins un dispositif formantconcentrateur à flux magnétique constitué d’une pièce en matériau ferromagnétique comprenant au moins une paroi latérale et une paroi de fond agencées respectivement en regard de la face inférieure et de la périphérie extérieure de l’inducteur de fond.

Par « concentrateur à flux magnétique », on entend ici et dans le cadre de l’invention, une pièce en matériau à perméabilité magnétique relative élevée voire très élevée, c’est-à-dire avec une valeur prbien supérieure à 1. Il peut s’agir avantageusement d’une pièce en ferrite ou d’une pièce constituée d’un empilement de tôles magnétiques.

On précise que la pièce du concentrateur selon l’invention a une forme générale de révolution autour de l’axe X qui peut comprendre une ou plusieurs échancrures, ouvertures, gorges pour laisser passer le cas échéant les amenées de courant électrique de l’inducteur de fond qui peuvent englober en outre les tuyaux d’amenée du fluide caloporteur de refroidissement de l’inducteur de fond. L’invention consiste donc à entourer la majeure partie de l’inducteur de fond qui n’est pas en regard directement de la sole, par un élément dont la perméabilité magnétique élevée voire très élevée va permettre de confiner les champs magnétiques générés par l’inducteur de fond, dans une zone au niveau du fond du creuset en contact avec la sole.

Ainsi, en confinant ou autrement dit en localisant les champs magnétiques, leur action sur la charge de matériau(x) à faire fondre va être améliorée. On augmente donc le rendement de l’inducteur de fond sans qu’il y ait de nécessité à surdimensionner l’équipement du four à creuset froid. Les inventeurs pensent qu’il est possible d’augmenter le rendement jusqu’à un facteur 20 à 30% par rapport à une solution à deux inducteurs sans le concentrateur selon l’invention.

En outre, le concentrateur selon l’invention permet d’éviter ou tout du moins réduire très fortement l’apparition de mutuelles entre l’inducteur latéral et l’inducteur de fond. Cela évite le risque de perturbation électromagnétique des générateurs d’induction et donc permet d’avoir plus facilement deux alimentations différentes à fréquences dédiées, l’une pour l’inducteur latéral, l’autre pour l’inducteur de fond.

Enfin, le concentrateur selon l’invention permet d’augmenter les forces de Lorentz à l’intérieur du (des) matériau(x) à fondre. Ainsi, grâce au concentrateur selon l’invention dans des configurations avec la présence de métal dans la charge à fondre, dans lesquelles les pertes thermiques par conduction sont plus importantes qu’en présence d’oxydes, des conditions de semi-lévitation de la charge peuvent être renforcées et ainsi réduire les pertes thermiques par contact. Les fréquences dans ces configurations seront préférentiellement plus basses.

La solution de concentrateur magnétique selon l’invention est différente d’un écran de blindage EM que pourrait préconiser un homme de l’état de l’art: en effet, confronté au problème d’apparition de mutuelles entre inducteur latéral et inducteur de fond, il aurait plutôt tendance à réaliser comme classiquement un écran de blindage électromagnétique entre les deux inducteurs mais non seulement un tel écran risquerait d’induire d’autres courants néfastes au but de fusion recherché mais en outre ne pourrait certainement pas confiner de manière efficace le champ magnétique de l’inducteur de fond. Il doit d’ailleurs être souligné qu’en aucun cas un écran de blindage électromagnétique ne peut être assimilé à un concentrateur à flux magnétique selon l’invention.

Selon un mode de réalisation avantageux, la pièce du concentrateur à flux magnétique comprenant en outre une paroi latérale agencée en regard de la périphérie intérieure de l’inducteur de fond, les deux parois latérales et la paroi de fond de la pièce définissant sensiblement une forme de U dans laquelle est agencée l’inducteur de fond. Avec cette paroi latérale supplémentaire, on évite de faire remonter tous les courants qui pourraient être induits par une paroi conductrice destinée à la coulée du (des) matériau(x) en fusion.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, il peut être prévu d’agencer un anneau de concentration magnétique supplémentaire, segmenté ou non, en dessous de l’inducteur latéral. A la suite de calculs faits par les inventeurs, dans certaines configurations géométriques de proximité des deux inducteurs et de fortes puissances potentielles, les inventeurs ont pu constater que la présence de l’anneau supplémentaire de concentration magnétique permet avantageusement de diminuer fortement les mutuelles entre les deux inducteurs.

Un tel concentrateur magnétique supplémentaire en dessous de l’inducteur latéral permet de renforcer les résultats du concentrateur magnétique décrit ci-avant. En effet, selon la puissance, les fréquences et la proximité des deux inducteurs, cet élément concentrateur magnétique (anneau ou segment) supplémentaire vient augmenter le rendement de l’inducteur de fond et diminuer les mutuelles pour les rendre quasi inexistantes.

De préférence, la pièce du concentrateur selon l’invention est en ferrite ou réalisé à partir de tôles magnétiques.

Selon une variante avantageuse, l’inducteur latéral et l’inducteur de fond sont aptes à fonctionner simultanément à des fréquences différentes.

Selon cette variante, il peut être avantageux que la fréquence de fonctionnement de l’inducteur de fond soit légèrement plus faible que celle de l’inducteur latéral.

Dans le cas des oxydes et des matériaux mixtes oxyde/métal à faire fondre, pour des capacités de charge l’ordre de 30kg à 1000kg : - les sources de puissance de l’inducteur latéral et de l’inducteur de fond sont dimensionnées pour fonctionner sur la plage de fréquence d’environ 500 Hz à 300 kHz en fonction de la charge à fondre ; - dans l’application spécifique de la fusion de corium, les sources de puissance de l’inducteur latéral et de l’inducteur de fond sont dimensionnées préférentiellement pour fonctionner sur la plage de fréquence d’environ 80 kHz à 160 kHz.

De manière générale, on peut choisir une fréquence de fonctionnement de l’inducteur latéral ou de l’inducteur de fond qui soit adaptée pour la fusion d’un ou plusieurs métal (ux) et l’autre des fréquences de fonctionnement de l’inducteur latéral ou de l’inducteur de fond étant adaptée pour la fusion d’un ou plusieurs oxyde(s). L’invention a également pour objet, sous un autre de ses aspects, l’utilisation du four décrit précédemment pour la fusion d’un mélange d’au moins un ou plusieurs métaux avec un ou plusieurs oxydes.

Le mélange peut être un mélange de métaux (acier, zirconium, ...) avec des oxydes (uranium UO2, zirconium, ...) ainsi que des composants du béton, le mélange étant représentatif d’un corium.

Description détaillée D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue en perspective partiellement écorchée d’un four à creuset à chauffage par induction électromagnétique; - la figure 2 est une vue en perspective partiellement écorchée d’un exemple de réalisation de creuset pour four à creuset froid à chauffage par induction électromagnétique, dans lequel l’enveloppe latérale et la sole sont chacune divisée en secteurs identiques avec les secteurs de l’enveloppe latérale étant différents de ceux de la sole ; - la figure 3 est une vue en perspective partiellement écorchée d’un autre exemple de réalisation de creuset pour four à creuset froid à chauffage par induction électromagnétique, dans lequel l’enveloppe latérale et la sole sont chacune divisée en secteurs identiques avec chaque secteur commun à la fois à l’enveloppe latérale et à la sole la sole ; - la figure 4 est une vue schématique de dessus d’un four à creuset également à chauffage par induction électromagnétique formant un four à creuset froid; - la figure 5 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d’un four à creuset froid à chauffage par induction avec un seul inducteur latéral selon l’état de l’art, la figure 5 montrant la distribution de densité de puissance le long de la paroi de l’enveloppe latérale; - la figure 6 reprend la figure 5 et montre le bain liquide de matériau(x) en fusion dans le creuset et les épaisseurs de la croûte sur l’enveloppe latérale et sur la sole; - la figure 7 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d’un four à creuset froid à chauffage par induction avec un inducteur latéral et un inducteur de coulée selon l’état de l’art, la figure 7 montrant le bain liquide de matériau(x) en fusion dans le creuset et la zone de fusion locale au-dessus du bouchon, les épaisseurs de la croûte d’auto-creuset sur l’enveloppe latérale et sur la sole; - la figure 8 reprend la figure 7 et montre la distribution de densité de puissance le long de la paroi de l’enveloppe latérale et au-dessus du bouchon; - la figure 9 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d’un four à creuset froid à chauffage par induction avec un creuset de diamètre supérieur à sa hauteur et un seul inducteur de fond selon l’état de l’art, la figure 9 montrant la distribution de densité de puissance le long de la paroi de la sole; - la figure 10 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d’un four à creuset froid à chauffage par induction avec un inducteur latéral, un inducteur de fond et un concentrateur à flux magnétique selon l’invention, la figure 10 montrant la distribution de densité de puissance à la fois le long de la paroi de l’enveloppe latéral et de la sole pour des fréquences de fonctionnement identiques entre inducteurs; - la figure 11 reprend la figure 10 et montre le bain liquide de matériau(x) en fusion dans le creuset et les épaisseurs de la croûte d’auto-creuset sur l’enveloppe latérale et sur la sole; - la figure 12 reprend la figure 10 et montrant la distribution de densité de puissance à la fois le long de la paroi de l’enveloppe latéral et de la sole pour une fréquence de fonctionnement de l’inducteur de fond inférieure à celle de l’inducteur latéral; la figure 13 est une vue schématique en demi-coupe longitudinale d’un four à creuset froid à chauffage par induction avec un inducteur latéral, un inducteur de fond et un concentrateur à flux magnétique selon l’invention auquel est ajouté un concentrateur à flux magnétique supplémentaire en dessous de l’inducteur latéral ; - la figure 14 est une vue similaire à la figure 13 montrant une variante de réalisation du concentrateur à flux magnétique supplémentaire conforme à l’invention.

Dans l’ensemble de la présente demande, les termes « vertical », « inférieur », « supérieur », « bas », « haut », « dessous » et « dessus », « intérieur », « extérieur » sont à comprendre par référence par rapport à un four à creuset froid à chauffage par induction agencé en configuration verticale de fonctionnement. Ainsi, dans une configuration de fonctionnement, le four est agencé à la verticale avec son fond (sole) par lequel le matériau en fusion est évacué, vers le bas.

Les figures 1 à 9 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont donc pas décrites en détail ci-après.

Par souci de clarté, les éléments communs à un four à creuset froid selon l’état de l’art et selon l’invention sont désignés par les mêmes références numériques.

On a représenté en figure 10 un four à creuset froid 1 comportant au moins un concentrateur à flux magnétique 6 conforme à l’invention. Un tel four 1 est de préférence destiné à réaliser la fusion d’une charge constituée d’un mélange de métal(ux) et d’oxyde(s), tel que l’oxyde d’uranium UO2, représentatif d’un corium.

Un tel four 1 comporte un creuset 2 en cuivre entouré d’un inducteur latéral, i.e. une bobine d’induction électromagnétique 4 à au moins une spire enroulée autour de la périphérie extérieure de l’enveloppe latérale 21 du creuset. Dans l’exemple représenté, l’inducteur 4 comporte un nombre égal à quatre spires consécutives 40-43 identiques et équidistantes les unes des autres.

Bien que non représenté, la paroi latérale du creuset 2 est divisée en un certain nombre de secteurs 20 identiques.

Le creuset 2 comporte également un fond 22, appelé sole. Le fond 22 comprend un bouchon 23 afin de permettre l’évacuation du matériau ou mélange de matériaux une fois celui-ci (ceux-ci) à l’état liquide par fusion.

En divisant ainsi la paroi ou enveloppe latérale 21 du creuset 2 en secteurs 20, lorsque le courant alternatif parcourt la ou les spires de l’inducteur 4, les courants induits ne restent pas localisés à la périphérie du creuset, mais font le tour de chaque secteur 20, comme déjà expliqué en préambule en relation avec la figure 4. L'ensemble des courants à la périphérie interne de chaque secteur 20 produit un champ électromagnétique dans la charge contenue dans le creuset.

Ainsi, les courants induits dans la charge qui correspondent à la somme de l’induction directe par l’inducteur 4 et de l’induction indirecte par le creuset froid 2 permettent de chauffer le(s) matériau(x) de la charge jusqu'à la fusion et la charge liquide est brassée du fait des forces de Lorentz mais aussi de la convection naturelle engendrée par les gradients thermiques dans la charge liquide. Lorsque la charge en fusion est devenue liquide, elle entre en contact avec les parois du creuset 2 refroidies par le circuit de refroidissement non représenté, ce qui la solidifie, créant ainsi une croûte, c’est-à-dire une couche solide réalisée dans le(s) matériau(x) de la charge introduite initialement dans le creuset 2. L’utilisation d’un tel four 1 à creuset froid est avantageuse pour la fusion d’une charge constituée d’un mélange d'oxyde d'uranium et de métal représentatif d’un corium. En effet, la température de fusion de l'oxyde d’uranium est de l’ordre de 2865°C, bien supérieure à la température de fusion des métaux, notamment le titane. Le métal à ces températures est caractérisé par une viscosité quasi-nulle, c'est-à-dire qu’il peut s’infiltrer dans la moindre fissure du creuset.

Avec la formation de la croûte comme expliqué ci-dessus, on s’assure d’une part que le métal présent dans la charge à faire fondre ne peut en aucun cas venir attaquer le métal constitutif des parois du creuset et d’autre part que le mélange de matériaux conserve sa pureté initiale.

De préférence, un élément, non représenté en matériau isolant électrique est agencé entre deux secteurs 20 consécutifs (adjacents). Un tél élément isolant sert non seulement à éviter les fuites et diminuer les pertes thermiques, mais également, à minimiser la formation d’arc électrique entre les secteurs de cuivre 20 lors du fonctionnement du four.

Tel qu’illustré en figure 10, le four 1 comprend également un inducteur de fond 5, à au moins une spire 50, 51, 52 enroulée autour de l’axe X en regard de la face inférieure de la sole 22 en laissant dégagée une zone en dessous du bouchon 23. Dans l’exemple illustré, l’inducteur de fond 5 présente trois spires identiques et équidistantes les unes des autres.

Avoir en tant que moyens de chauffage, à la fois un inducteur latéral 4 et un inducteur de fond 5 permet d’obtenir une continuité de la densité de puissance induite dans le matériau de la charge à faire fondre. Ainsi l’épaisseur de croûte peut être mieux répartie, sans qu’il y ait de nécessité de surfusion de la charge comme dans les solutions classiques selon l’état de l’art. De ce fait, les pertes thermiques ne sont pas augmentées de façon importante et la puissance d’induction peut être optimisée.

Cela étant, les inventeurs ont analysé que le courant induit par l’inducteur de fond 5 est susceptible de venir perturber le fonctionnement de l’inducteur latéral 4, et vice-versa. Ce phénomène connu sous le terme «mutuelles » peut aller jusqu’à détériorer les générateurs d’induction fond est plus faible.

Aussi, les inventeurs ont implanté un concentrateur à flux magnétique 6 constitué d’une pièce 60 en matériau ferromagnétique comprenant au moins une paroi latérale 61 et une paroi de fond 62 agencées respectivement en regard de la face inférieure et de la périphérie extérieure de l’inducteur de fond 5.

La pièce 60 en matériau ferromagnétique permet donc de confiner le champ magnétique créé par l’inducteur de fond 5 dans la zone locale sur la sole 22 autour du bouchon central 23.

Cela permet non seulement de réduire voire de supprimer toute mutuelle mais en outre d’augmenter le rendement de l’inducteur de fond 5. Cela est illustré par la figure 10 où l’on voit qu’il y a une bonne distribution Σ de la densité de puissance d’induction à la fois sur l’enveloppe latérale 21 et sur la sole 22.

La figure 11 illustre le bain homogène B de matériau(x) en fusion et la répartition d’épaisseur e quasi-uniforme de la croûte obtenue grâce aux deux inducteurs 4, 5 avec le concentrateur à flux magnétique selon l’invention.

Selon un mode de réalisation avantageux, lorsque la charge à faire fondre est constituée d’un mélange d’oxydes et d’au moins un métal, tel qu’un mélange représentatif d’un corium, on fait circuler dans l’inducteur latéral 4 un courant alterrnatif fonctionnant à une fréquence différente de cellle de l’inducteur de fond 5. En effet, la température du métal, tel que le titane typiquement aux environs de 1800°C, est nettement inférieure à celles des oxydes, tels que l’oxyde d’uranium UO2 aux environs de 2 865°C.

Ainsi, en alimentant en courant sous deux fréquences différentes les inducteurs latéral 4 et de fond 5 dont l’une adaptée pour la fusion par induction du métal (des métaux) et l’autre à celle des oxydes, on s’assure d’une fusion simultanée des constituants du mélange tout en assurant un brassage et donc un mélange homogène, et en outre, on s’assure que, tout au long du processus de fusion le métal(les métaux) ne vienne(nt) pas directement en contact avec les parois du creuset. En effet, d’une part, pour un même matériau plus la fréquence d’induction est élevée plus l'onde électromagnétique va pénétrer ledit matériau et donc générer un chauffage par effet Joule dans la masse. D'autre part, comme dit précédemment, du fait de leur différence de température de fusion, des oxydes requièrent des fréquences d’induction plus élevées et le métal (les métaux) des fréquences plus basses.

Enfin, une fois le processus de fusion dans le four enclenché, le métal (les métaux) a(ont) une viscosité quasi-nulle lorsque les oxydes commencent à fondre.

Ainsi, en utilisant une seule fréquence d’induction pour le fonctionnement d’un four selon l’invention, il subsiste un risque le métal (les métaux) en fusion s'infiltre(nt) dans la moindre fissure présente dans les parois du creuset. Il y a également un risque que le métal (les métaux) vienne(nt) se coller en quelque sorte sur lesdites parois, ce qui aurait pour effet néfaste de réaliser un écran aux ondes électromagnétiques et éventuellement de détériorer le creuset froid.

Par conséquent, le fonctionnement d’un four selon l’invention à deux fréquences différentes, l’une pour l’inducteur latéral 4, l’autre pour l’inducteur de fond 5, permet d’éviter à tout le moins réduire ces risques : tout au long du processus de fusion, le métal(les métaux) est(sont) repousé(s) vers l’intérieur du creuset. On obtient ainsi un mélange homogène dans un système d'équilibre des constituants en fusion. Cela étant, notamment dans le cas où la charge à faire fondre est constituée majoritairement d’oxyde(s), l’inducteur latéral 4 et l’inducteur du fond 5 peuvent fonctionner à des fréquences relativement proches, voire identiques.

La figure 12 illustre ce mode de réalisation avantageux avec une fréquence de fonctionnement de l’inducteur de fond 5 qui est inférieure à celle de l’inducteur latéral 4 : la distribution de densité de puissance Σι est de ce fait moins importante sur l’enveloppe latérale 21 que sur la sole 22.

On a représenté en figures 13 et 14, un mode de réalisation avantageux d’un four selon l’invention. Selon ce mode, il est prévue d’agencer un élément de concentration magnétique supplémentaire sous la forme d’un anneau 7, segmenté ou non, en dessous de l’inducteur latéral 4.

Comme illustré, cet anneau 7 peut comprendre une seule paroi 70 qui s’étend orthogonalement aux spires 40, 41, 42, 43 de l’inducteur latéral 4 (figure 13), ou bien il peut comprend une paroi supplémentaire 71 qui s’étend parallèlement aux spires 40, 41, 42, 43 de l’inducteur latéral 4 (figure 14).

Cet anneau 7 en dessous de l’inducteur latéral 4 permet de renforcer les résultats du concentrateur magnétique 6, 60. En effet, selon la puissance, les fréquences et la proximité des deux inducteurs 4, 5, l’anneau 7 vient augmenter le rendement de l’inducteur de fond 5 et diminuer les mutuelles pour les rendre quasi inexistantes.

De préférence, les sources de puissance l’inducteur latéral 4 et de l’inducteur de fond 5 sont dimensionnées pour fonctionner sur la plage de fréquence d’environ 500 Hz à 300 kHz en fonction de la charge à fondre.

De préférence encore, dans l’application spécifique de la fusion de corium, les sources de puissance de l’inducteur latéral 4 et de l’inducteur de fond 5 sont dimensionnées préférentiellement pour fonctionner sur la plage de fréquence d’environ 80 kHz à 160 kHz. L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.

REFERENCES CITEES

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[7] : S. HONG, B. MIN, J. SONG et H. KIM : “Application ofcold crucible for melting of UO2/ZrO2 mixture”. Materials Science and Engineering : A, 357(12):297 - 303, 2003. ISSN 0921-5093. http://www.sciencedirect.coni/science/article/pii/S0921.50930300248X; [8] : D.B.Lopuch, A. P. Martinov, A.V. Vavilov, P.M. Garifullin «Experimental research of the conditions of passive drainage from the bottom of the melt glass by induction melting in a cold crucible », 67th scientific and technical conférence faculty of the University Section of electrical engineering and electrical conversion, Acts of students, graduate students and young scientists pp 157-160 (in Russian)

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Four (1) à creuset froid, à chauffage par induction électromagnétique, destiné à faire fondre au moins un matériau conducteur électrique, tel qu'un oxyde et/ou un métal, comprenant : - un creuset pour contenir le matériau à faire fondre, dont les parois (20) sont en matériau conducteur électrique, de préférence en cuivre, et comprennent une enveloppe latérale (21) de forme générale cylindrique de révolution autour d’un axe X et un fond, appelé sole (22), muni d’au moins un bouchon (23), l’enveloppe latérale (21) et la sole (22) étant chacune divisée en secteurs isolés électriquement, qui s’étendent parallèlement à l’axe X; - au moins un inducteur, dit inducteur latéral (4) à au moins une spire (40, 41, 42, 43), enroulée autour de la périphérie extérieure de l’enveloppe latérale ; - au moins un inducteur, dit inducteur de fond (5), à au moins une spire (50, 51, 52) enroulée autour de l’axe X en regard de la face inférieure de la sole en laissant dégagée une zone en dessous du bouchon (23), caractérisé en que ce qu’il comprend en outre au moins un dispositif formant concentrateur à flux magnétique (6) constitué d’une pièce (60) en matériau ferromagnétique comprenant au moins une paroi latérale (61) et une paroi de fond (62) agencées respectivement en regard de la face inférieure et de la périphérie extérieure de l’inducteur de fond (5).
2. 2. Four à creuset froid selon la revendication 1, la pièce du concentrateur à flux magnétique comprenant en outre une paroi latérale (63) agencée en regard de la périphérie intérieure de l’inducteur de fond (5), les deux parois latérales (61, 63) et la paroi de fond (62) de la pièce définissant sensiblement une forme de U dans laquelle est agencée l’inducteur de fond (5).
3. 3. Four à creuset froid selon la revendication 1 ou 2, comprenant un anneau (7, 70, 71) de concentration magnétique supplémentaire, segmenté ou non, en dessous de l’inducteur latéral.
4. 4. Four à creuset froid selon l’une des revendications précédentes, la pièce étant en ferrite ou réalisé à partir de tôles magnétiques.
5. 5. Four à creuset froid selon l’une des revendications précédentes, l’inducteur latéral (4) et l’inducteur de fond (5) étant aptes à fonctionner simultanément à des fréquences différentes.
6. 6. Four à creuset froid selon la revendication 5, la fréquence de fonctionnement de l’inducteur de fond étant plus faible que celle de l’inducteur latéral.
7. 7. Four à creuset froid selon l’une des revendications précédentes, la fréquence de fonctionnement de l’inducteur latéral et de l’inducteur de fond étant comprise entre environ 500Hz et 300kHz
8. 8. Four à creuset froid selon l’une des revendications 7, dans le cas d’un mélange représentatif d’un corium à faire fondre, la fréquence de fonctionnement de l’inducteur latéral et de l’inducteur de fond étant comprise entre 80kHz et 160kHz
9. 9. Four à creuset froid selon l’une des revendications 5 à 8, l’une des fréquences de fonctionnement de l’inducteur latéral (4) ou de l’inducteur de fond (5) étant adaptée pour la fusion d’un ou plusieurs métal (ux) et l’autre des fréquences de fonctionnement de l’inducteur latéral (4) ou de l’inducteur de fond (5) étant adaptée pour la fusion d’un ou plusieurs oxyde(s).
10. 10. Utilisation du four selon l’une des revendications 1 à 9 pour la fusion d’un mélange d’au moins un ou plusieurs métaux avec un ou plusieurs oxydes.
11. 11. Utilisation selon la revendication 10, le mélange étant un mélange de métaux (acier, zirconium, ...) avec des oxydes (uranium UO2, zirconium, ...) ainsi que des composants du béton, le mélange étant représentatif d’un corium.