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"Bloc de réacteur d'un réacteur rapide pour évacuer, par circulation naturelle, la puissance résiduelle du coeur"
L'invention concerne un bloc de réacteur d'un réacteur rapide pour evacueer, par circulation naturelle, la puissance résiduelle du coeur.
11 est bien connu que dans des réacteurs rapides, il est necessaire de dissiper la puissance résiduelle sans que se produisent des phénomènes thermiques transitoires considérables quelconques dans le cas d'une mise ä l'arrêt du rédacteur.
A cette fin, on prévoit un certain nombre d'échangeurs sodium-sodium dont le faisceau de tubes est immerge dans le collecteur chaud dont le sodium en circulation constitue le fluide primaire ; le fluide secondaire, par contre, est refroidi par circulation naturelle d'air dans une cheminée convenable.
Dans le cas de la circulation naturelle, cette solution d'ingénierie crée dans le collecteur chaud des stratifications de sodium à température relativement basse, qui bloquent la circulation du sodium du coeur au collecteur chaud, en empechant une utilisation convenable de la circulation du sodium primaire.
11 est par conséquent difficile d'assurer l'ab- sence de phénomènes thermiques transitoires dangereux.
L'invention vise à résoudre ces problèmes et ceci s'obtient en plongeant le faisceau de tubes des échangeurs de chaleur utilisés pour la dissipation de la puissance résiduelle- non plus dans le collecteur
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chaud, mais dans le collecteur froid.
Suivant l'invention, ces échangeurs sont également entourds par un ou plusieurs anneaux qui les séparent du sodium du collecteur chaud.
Sur les dessins ci-annexes : - la figure 1 montre schématiquement la coupe d'un réacteur nucléaire rapide traditionnel. Sur cette figure, les parties qui se referent au système d'évacuation de la puissance résiduelle se détachent ; - la figure 2 est semblable à la figure 1, mais se rapporte ä l'installation de l'échangeur de chaleur utilisd suivant l'invention ; - les figures 3/A et 3/B montrent schématiquement les échangeurs auxiliaires de type connu et sui-
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vant l'invention, respectivement, dans un dtat d'at- tente ; - les figures 4/A et 4/B sont semblables aux figures 3/A et 3/B mais se réfèrent ä la situation existant dans les échangeurs auxiliaires, suivant l'état de la technique et suivant l'invention, respectivement, quelque temps après la mise ia l'arrêt du reacteur.
Comme montré à 1a figure 1, le bloc du réacteur est divisé en une region inferieure connue comme collecteur froid 1, et en une region supérieure et centrale 2, connue comme le collecteur chaud.
Ces deux regions sont séparées l'une de l'au- tre par une ou plusieurs structures de séparation hydraulique 3, 4.
Le sodium circule normalement du collecteur froid au collecteur chaud, a travers le coeur 5 du réacteur, en s'echauffant, et du collecteur chaud au collecteur froid à travers les échangeurs intermediai- res 6, en se refroidissant. Dans des conditions normales, la circulation est assurée par des pompes 70
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plongées dans le collecteur froid 1 et qui, par des conduits convenables 7, conduisent le sodium liquide sous la grille 71 qui soutient les Elements de combustible formant le coeur 5.
Lorsqu'il se présente une Situation de mise l'arrêt, la dissipation de la puissance résiduelle reste confiée aux échangeurs auxiliaires sodium-sodium 8, connus convenablement sous le nom d'échangeurs pour l'evacuation de la puissance résiduelle. Le sodium secondaire de ces echangeurs auxiliaires, à son tour, cède la chaleur absorbée a un courant d'air dans une cheminée convenable.
Ce second échangeur de chaleur du système de dissipation de la puissance résiduelle est normalement
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appelé changeur sodium-air.
Les pompes 70 travaillent en général toutes ; suivant une premibre solution connue, les choses sont telles que même dans des conditions de mise à l'arrêt de l'installation, une ou plusieurs de ces pompes restent en fonctionnement.
Dans ce cas, dans les conditions de mise à l'arret du rédacteur, le sodium du collecteur chaud 2 est refroidi par les échangeurs auxiliaires 8, ensuite, à travers les dchangeurs intermédiaires 6, il passe dans le collecteur froid 1 d'où il est force, par les pompes 70 et par les conduits 7, de traverser le coeur 5 où il absorbe de la chaleur, pour revenir une fois de plus au collecteur chaud.
Si, par contre, dans les conditions de mise à l'arrêt du réacteur, on envisage que la puissance fournie à toutes les pompes puisse être coupée, le sodium doit continuer à circuler naturellement. Cependant, l'arrangement habituel des échangeurs auxiliaires 8, comme représenté à la figure 1, ne garantit pas une circulation efficace du sodium entre le collec-
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teur chaud et le collecteur tiède lorsque toutes les pompes 70 sont a l'arret.
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En fait, l'arrangement montré à la figure 1 permet le refroidissement du sodium dans le collecteur chaud, mais empêche la circulation du sodium dans le coeur : en réalité, directement au-dessus du coeur, le sodium refroidi par les échangeurs auxiliaires 8 se stratifie et ce sodium relativement froid tend ä tomber vers le fond, c'est-à-dire vers le coeur 5.
Par consequent, le debit du sodium à travers le coeur 5 est instable et difficile ä évaluer et 11 peut conduire ä des temperatures élevées dans les éléments de combustible du coeur.
La figure 2 reprdsente la solution suivant l'invention ; dans un but de simplicité, les parties correspondantes de cette figure ont été désignées par les mêmes notations de reference.
Dans ce cas, les échangeurs auxiliaires sodiumsodium 8 du circuit de dissipation de la puissance résiduelle sont installes dans le collecteur froid 1 ; les échangeurs auxiliaires 8, cependant, sont installes ä la hauteur du collecteur froid 2.
A cette fin, les échangeurs auxiliaires 8 sont entourés par des anneaux, dans ce cas spécifique, par deux anneaux cylindriques 9 et 10, reliés en bas aux structures de séparation hydraulique 3 et 4 entre les collecteurs chaud et froid.
Cette solution n'a pas de contre-indication lorsque l'installation fonctionne dans des conditions normales : dans ce cas, le sodium dans le collecteur froid a une teMperature d'environ 400OC, alors que le sodium dans le collecteur chaud a une temperature d'environ 550oC.
Les échangeurs auxiliaires 8 enlèvent une petite fraction de puissance du sodium du collecteur froid
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et la cèdent à l'atmosphère à travers les échangeurs sodium-air mentionnés plus haut.
Cette perte de chaleur a cependant un effet positif en ce sens qu'elle sert ä abaisser la température de la couche de sodium contenue entre les structures 9 et 10 et par conséquent entre les structures 3 et 4 dont les structures 9 et 10 sont le prolongement entourant les échangeurs 8.
De cette façon, le sodium contenu dans l'anneau le plus intérieur 10 est maintenu ä une température franchement proche de 400 C, en dépit de la contribution de chaleur par conduction due au sodium du collecteur chaud entourant.
De cette façon, au surplus, les circuits d'eva- cuation de puissance résiduelle sont maintenus dans des conditions de travail normales, dans un état d'attente, ä une température d'environ 400 , alors que, suivant la solution connue, illustrée à la figure 1, dans les conditions d'attente, ils restent à une température d'environ 550oC.
Cette situation est illustrée aux figures 3/A et 3/B se rapportant toutes deux ä la situation qui existe dans un état d'attente dans les échangeurs auxiliaires 8 et dans les échangeurs sodium-air 80.
Comme dejä mentionne, la figure 3/A se referme ä la solution connue de la figure 1, tandis que la figure 3/B se réfère à la solution suivant l'invention, comme la figure 2.
Après la mise à l'arrêt du réacteur, par suite de l'inertie des pompes qui continuent a tourner pendant un certain temps, la température entre les collecteurs chaud et froid tend à devenir uniforme ä une
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valeur intermediaire et cette Situation est montrde schématiquement aux figures 4/A et 4/B.
La figure 4/A se réfère à la solution connue,
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tandis que la figure 4/B se réfère a la solution suivant l'invention. On peut voir clairement à 1a figure 4/A que le sodium secondaire présent dans l'échangeur auxiliaire 8 a une température inférieure à celle du sodium secondaire dans l'échangeur sodium-air 80, ä une hauteur plus grande ; par conséquent. suivant la solution connue, jusqu'au moment où la température ä l'intérieur du collecteur chaud commence à s'éleveur de nouveau, l'etablissement de la circulation naturelle du sodium secondaire entre l'échangeur auxiliaire 8 et l'échangeur sodium-air 80 place au-dessus est retardée.
Au contraire, suivant le système représenté à la figure 4/B, l'échangeur auxiliaire 8 et 10 et l'e- changeur sodium-air 80 sont trouves l'un à une temperature légèrement supérieure ä celle de l'autre et ainsi l'etablissement de la circulation naturelle du sodium secondaire est favorisée.
Par conséquent, suivant l'invention, dans les conditions de mise ä l'arrêt, 1'intervention des dchangeurs auxiliaires et des échangeurs sodium-air est plus rapide.
On verra plus loin que, suivant l'invention, même après qu'une circulation naturelle ait commencé ä l'intérieur des échangeurs auxiliaires, la dissipation de la puissance résiduelle est exécutée plus efficacement.
L'evacuation de la puissance residuelleauntoyen de la circulation du sodium primaire est due à 1a puissance motrice engendrée dans les elements de combustible.
Pendant la phase de dissipation de la puissance résiduelle au moyen de la circulation naturelle du sodium primaire, le sodium primaire passe du coeur 5 au collecteur chaud 2.
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De la, il entre dans les échangeurs intermédiaires 6 par les fenêtres supérieures 61 et 11 seen va par les fenêtres inférieures 62 dans le collecteur froid 1.
A travers les pompes 70 et les tuyaux 7, il retourne alors dans le coeur 5 pour suivre à nouveau la trajectoire indiquée ci-dessus.
Suivant l'invention, le sodium chaud venant des fenêtres infdrieures 62 des échangeurs inermediaires 6 se stratifie dans la partie superieure du collecteur froid 1 (en plus, naturellement, de se mélangeur au sodium froid qui s'y trouve), et par consequent pénètre ä l'interieur de l'anneau 10 qui entoure l'échangeur auxiliaire 8.
Ainsi, il pgnbtre ä travers les fenêtres supérieures 81 de l'échangeur auxiliaire 8 et, s'étant refroidi ä l'intérieur de celui-ci, encore en circulation naturelle, il le quitte par les fenetres inférieures 82 ; de lä, il est aspire par les pompes 70 et les conduits 7 vers le coeur 5.
On observera que pour assurer la circulation naturelle du sodium primaire ä l'intérieur du coeur 5, il est necessaire que le bord superieur 63 des fente- tres inférieures 62 des échangeurs intermédiaires 6 soit plus élevé que le centre thermique (q) du. coeur 5.
La solution proposee par l'invention, lorsque la séparation entre le collecteur froid et le collecteur chaud est faite avec au moins deux structures 9 et 10, comme montre sur la figure, permet le refroi-
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dissement par circulation naturelle des elements de combustible épuisés, arrangés intérieurement autour du coeur 5.
Avec la solution de l'installation suivant l'invention, ce refroidissement a lieu dans n'importe quelle condition de fonctionnement du réacteur.
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A cette fin, la partie superieure de l'anneau extérieur 9 qui entoure les échangeurs auxiliaires 8 est équipée de trous calibrés 15.
A travers ces trous calibrés, le sodium du collecteur chaud 2 pénètre dans l'espace intermediai- re existant entre les deux anneaux 9 et 10 et, par conduction, cède de la chaleur au sodium du collecteur froid contenu entre l'anneau intérieur 10 et la paroi exterieure de l'échangeur auxiliaire 8.
Cette chaleur est ä son tour cédée au sodium secondaire de l'échangeur auxiliaire 8 et, au moins partiellement, par celui-ci, a l'environnement, par
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l'échangeur sodium-air.
Une seconde fraction de cette chaleur est cédée au sodium du collecteur froid dans la region qui se trouve en dessous des échangeurs auxiliaires 8.
Le sodium qui descend dans l'espace inermediaire existant entre les anneaux 9 et 10 continue son parcours dans l'espace intermédiaire 16 existant entre les deux structures 3 et 4 pour la séparation hydraulique entre les collecteurs froid et chaud.
De cette façon, le sodium qui circule dans l'espace intermédiaire 16, dejä refroidi sur la base du mécanisme décrit plus haut, ne crée pas de gradients thermiques excessifs dans 1'épaisseur de la structure 3.
L'écoulement du sodium qui circule dans l'espace intermédiaire 16 se termine en refroidissant les éléments de combustible 14 qui sont arrangés autour du coeur 5.
Suivant une forme de réalisation differente, les échangeurs auxiliaires 8 peuvent être situés à l'exterieur des elements de Separation hydraulique 3 et 4.
Dans ce cas, les échangeurs auxiliaires 8 peuvent être introduits dans le collecteur 3, sans les
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structures de confinement 9 et 10 prévues dans la solution déjà représentée.
Dans ce cas, les structures 3 et 4 doivent présenter des boucles circonférentielles pour laisser l'espace necessaire pour l'installation des échangeurs sodium-sodium. Cette solution structurelle fait qu'il est possible d'éliminer 1a structure 90 confinant le sodium qui vient du collecteur froid (figure 1).
Cette structure confinante 90 a pour röle de guider un petit pourcentage du courant total de sodium primaire froid pour qu'il lèche le reservoir principal pour le refroidir.
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En fait, la presence d'échangeurs sodium-sodium 8 ä l'exterieur de la structure de séparation 3 fait qu'il est possible d'absorber la chaleur transmise au sodium dans la partie superieure du collecteur froid par conduction à travers les structures 3 et 4 dont il est question plus haut.
Bien que pour des raisons de description, l'invention soit basée sur les descriptions et les reperd- sentations données plus haut, beaucoup de changements et de variations peuvent être apportes ä la forme de rdalisation de l'invention sans pour autant sortir du cadre de celle-ci.
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"Reactor block of a fast reactor to evacuate, by natural circulation, the residual power of the core"
The invention relates to a reactor block of a fast reactor for evacuating, by natural circulation, the residual power of the core.
It is well known that in fast reactors, it is necessary to dissipate the residual power without any considerable transient thermal phenomena occurring in the event of a shutdown of the editor.
To this end, a number of sodium-sodium exchangers are provided, the bundle of tubes of which is immersed in the hot collector, the circulating sodium of which constitutes the primary fluid; the secondary fluid, on the other hand, is cooled by natural circulation of air in a suitable chimney.
In the case of natural circulation, this engineering solution creates relatively low temperature sodium stratifications in the hot collector, which block the circulation of sodium from the heart to the hot collector, preventing proper use of the circulation of primary sodium .
It is therefore difficult to ensure the absence of dangerous transient thermal phenomena.
The invention aims to solve these problems and this is obtained by immersing the bundle of tubes of the heat exchangers used for the dissipation of the residual power - no longer in the collector
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hot, but in the cold collector.
According to the invention, these exchangers are also surrounded by one or more rings which separate them from the sodium in the hot collector.
In the accompanying drawings: - Figure 1 shows schematically the section through a traditional fast nuclear reactor. In this figure, the parts which refer to the residual power evacuation system are detached; - Figure 2 is similar to Figure 1, but relates to the installation of the heat exchanger used according to the invention; - Figures 3 / A and 3 / B schematically show the auxiliary exchangers of known and following type
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before the invention, respectively, in a state of expectation; - Figures 4 / A and 4 / B are similar to Figures 3 / A and 3 / B but refer to the situation existing in the auxiliary exchangers, according to the state of the art and according to the invention, respectively, for some time after switching off the reactor.
As shown in Figure 1, the reactor block is divided into a lower region known as the cold collector 1, and an upper and central region 2, known as the hot collector.
These two regions are separated from each other by one or more hydraulic separation structures 3, 4.
Sodium normally circulates from the cold collector to the hot collector, through the core 5 of the reactor, on heating, and from the hot collector to the cold collector through the intermediate exchangers 6, on cooling. Under normal conditions, circulation is ensured by pumps 70
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immersed in the cold collector 1 and which, by suitable conduits 7, conduct the liquid sodium under the grid 71 which supports the fuel elements forming the core 5.
When there is a Shutdown Situation, the dissipation of the residual power remains entrusted to the sodium-sodium auxiliary exchangers 8, known suitably under the name of exchangers for the evacuation of the residual power. The secondary sodium of these auxiliary exchangers, in turn, transfers the absorbed heat to a current of air in a suitable chimney.
This second heat exchanger of the residual power dissipation system is normally
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called a sodium-air changer.
The pumps 70 generally work all; according to a first known solution, things are such that even under conditions of shutdown of the installation, one or more of these pumps remain in operation.
In this case, under the conditions of shutdown of the reducer, the sodium of the hot collector 2 is cooled by the auxiliary exchangers 8, then, through the intermediate exchangers 6, it passes into the cold collector 1 from where it is forced, by the pumps 70 and by the conduits 7, to pass through the core 5 where it absorbs heat, to return once again to the hot collector.
If, on the other hand, under the conditions of shutdown of the reactor, it is envisaged that the power supplied to all the pumps can be cut, the sodium must continue to circulate naturally. However, the usual arrangement of the auxiliary exchangers 8, as shown in FIG. 1, does not guarantee an efficient circulation of sodium between the collector
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hot tor and the collector lukewarm when all the pumps 70 are stopped.
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In fact, the arrangement shown in Figure 1 allows the cooling of the sodium in the hot collector, but prevents the circulation of sodium in the heart: in reality, directly above the heart, the sodium cooled by the auxiliary exchangers 8 laminates and this relatively cold sodium tends to fall towards the bottom, that is to say towards the core 5.
Consequently, the sodium flow through the core 5 is unstable and difficult to assess and 11 can lead to elevated temperatures in the fuel elements of the core.
Figure 2 shows the solution according to the invention; for simplicity, the corresponding parts of this figure have been designated by the same reference notations.
In this case, the sodium sodium auxiliary exchangers 8 of the residual power dissipation circuit are installed in the cold collector 1; the auxiliary exchangers 8, however, are installed at the height of the cold manifold 2.
To this end, the auxiliary exchangers 8 are surrounded by rings, in this specific case, by two cylindrical rings 9 and 10, connected at the bottom to the hydraulic separation structures 3 and 4 between the hot and cold manifolds.
This solution has no contraindication when the installation is operating under normal conditions: in this case, the sodium in the cold collector has a temperature of around 400OC, while the sodium in the hot collector at a temperature d 'around 550oC.
Auxiliary exchangers 8 remove a small fraction of the sodium's power from the cold collector
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and give it to the atmosphere through the sodium-air exchangers mentioned above.
This heat loss, however, has a positive effect in that it serves to lower the temperature of the sodium layer contained between structures 9 and 10 and therefore between structures 3 and 4 of which structures 9 and 10 are an extension. surrounding the exchangers 8.
In this way, the sodium contained in the innermost ring 10 is maintained at a temperature frankly close to 400 ° C., in spite of the contribution of heat by conduction due to the sodium of the surrounding hot collector.
In this way, moreover, the residual power evacuation circuits are maintained under normal working conditions, in a standby state, at a temperature of about 400, while, according to the known solution, illustrated in FIG. 1, under the waiting conditions, they remain at a temperature of around 550 ° C.
This situation is illustrated in FIGS. 3 / A and 3 / B both relating to the situation which exists in a waiting state in the auxiliary exchangers 8 and in the sodium-air exchangers 80.
As already mentioned, FIG. 3 / A closes with the known solution of FIG. 1, while FIG. 3 / B refers to the solution according to the invention, like FIG. 2.
After shutdown of the reactor, due to the inertia of the pumps which continue to run for a certain time, the temperature between the hot and cold manifolds tends to become uniform at a
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intermediate value and this Situation is shown schematically in Figures 4 / A and 4 / B.
Figure 4 / A refers to the known solution,
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while Figure 4 / B refers to the solution according to the invention. It can be clearly seen in FIG. 4 / A that the secondary sodium present in the auxiliary exchanger 8 has a temperature lower than that of the secondary sodium in the sodium-air exchanger 80, at a greater height; Therefore. according to the known solution, until the temperature inside the hot collector begins to rise again, the establishment of the natural circulation of secondary sodium between the auxiliary exchanger 8 and the sodium-air exchanger 80 place above is delayed.
On the contrary, according to the system represented in FIG. 4 / B, the auxiliary exchanger 8 and 10 and the sodium-air exchanger 80 are found one at a temperature slightly higher than that of the other and thus the The establishment of the natural circulation of secondary sodium is favored.
Consequently, according to the invention, under the shutdown conditions, the intervention of the auxiliary exchangers and of the sodium-air exchangers is faster.
It will be seen later that, according to the invention, even after natural circulation has started inside the auxiliary exchangers, the dissipation of the residual power is carried out more efficiently.
The evacuation of residual power from the primary sodium circulation is due to the motive power generated in the fuel elements.
During the dissipation phase of the residual power by means of the natural circulation of the primary sodium, the primary sodium passes from the core 5 to the hot collector 2.
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From there, it enters the intermediate exchangers 6 through the upper windows 61 and 11 seen goes through the lower windows 62 in the cold manifold 1.
Through the pumps 70 and the pipes 7, it then returns to the core 5 to again follow the trajectory indicated above.
According to the invention, the hot sodium coming from the lower windows 62 of the intermediate heat exchangers 6 stratifies in the upper part of the cold collector 1 (in addition, of course, to mix with the cold sodium which is there), and consequently penetrates inside the ring 10 which surrounds the auxiliary exchanger 8.
Thus, it penetrates through the upper windows 81 of the auxiliary exchanger 8 and, having cooled inside of it, still in natural circulation, it leaves it through the lower windows 82; from there, it is sucked by the pumps 70 and the conduits 7 towards the heart 5.
It will be observed that in order to ensure the natural circulation of the primary sodium inside the core 5, it is necessary that the upper edge 63 of the lower slots 62 of the intermediate exchangers 6 is higher than the thermal center (q) of the. heart 5.
The solution proposed by the invention, when the separation between the cold collector and the hot collector is made with at least two structures 9 and 10, as shown in the figure, allows cooling.
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spreading by natural circulation of the spent fuel elements, arranged internally around the core 5.
With the solution of the installation according to the invention, this cooling takes place under any operating condition of the reactor.
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To this end, the upper part of the outer ring 9 which surrounds the auxiliary exchangers 8 is fitted with calibrated holes 15.
Through these calibrated holes, the sodium from the hot collector 2 enters the intermediate space existing between the two rings 9 and 10 and, by conduction, transfers heat to the sodium from the cold collector contained between the inner ring 10 and the external wall of the auxiliary exchanger 8.
This heat is in turn transferred to the secondary sodium of the auxiliary exchanger 8 and, at least partially, by it, to the environment, by
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the sodium-air exchanger.
A second fraction of this heat is transferred to the sodium from the cold collector in the region which is below the auxiliary exchangers 8.
The sodium which descends into the temporary space existing between the rings 9 and 10 continues its course in the intermediate space 16 existing between the two structures 3 and 4 for the hydraulic separation between the cold and hot collectors.
In this way, the sodium which circulates in the intermediate space 16, already cooled on the basis of the mechanism described above, does not create excessive thermal gradients in the thickness of the structure 3.
The flow of sodium which circulates in the intermediate space 16 ends by cooling the fuel elements 14 which are arranged around the core 5.
According to a different embodiment, the auxiliary exchangers 8 can be located outside the hydraulic separation elements 3 and 4.
In this case, the auxiliary exchangers 8 can be introduced into the manifold 3, without the
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containment structures 9 and 10 provided in the solution already shown.
In this case, the structures 3 and 4 must have circumferential loops to leave the space necessary for the installation of the sodium-sodium exchangers. This structural solution makes it possible to eliminate the structure 90 confining the sodium which comes from the cold collector (FIG. 1).
This confining structure 90 has the role of guiding a small percentage of the total stream of cold primary sodium so that it licks the main tank to cool it.
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In fact, the presence of sodium-sodium exchangers 8 outside the separation structure 3 makes it possible to absorb the heat transmitted to sodium in the upper part of the cold collector by conduction through the structures 3 and 4 discussed above.
Although for reasons of description, the invention is based on the descriptions and representations given above, many changes and variations can be made to the embodiment of the invention without departing from the scope of this one.