JP2016529469A - ２つの流体の間で熱交換するための熱交換器、液体金属及びガスでの当該熱交換器の使用並びに液体金属により冷却される高速中性子原子炉への利用 - Google Patents

Abstract

２つの流体の間で熱交換するための熱交換器、液体金属及びガスでの交換器の使用並びに液体金属で冷却される高速中性子原子炉への利用。本発明は、第１流体（Ｎ２）と第２流体（Ｎａ）との間で熱交換するための熱交換器（１）に関する。本発明によれば、熱交換器の構造は、二次流体、例えば窒素（Ｎ２）が供給及び回収される長手方向端部（２ｂ）の反対側の所定の長手方向端部（２ａ）へ且つから、一次流体、例えばナトリウム（Ｎａ）を供給及び回収することを可能にする。これは、特に流体の一方、例えばナトリウム（Ｎａ）のためのアクセスが制限され且つ流体の他方、例えば窒素（Ｎ２）のためのアクセスが制限されていないことを可能にする、交換器内での２つの流体の経路の間の物理的分離をもたらす。

Description

本発明は、２つの流体の間の熱交換器に関する。

本発明は、より具体的に、コンパクトであり且つ高熱出力の、新たなタイプの熱交換器の製造に取り組む。

従って、本発明は、圧力下のカランドリア中に１つ以上のプレートタイプの熱交換器モジュールを組み込んだ熱交換器に関する。

本発明による２つの流体の間の熱交換器の主な使用は、液体金属及びガスでの使用である。液体金属及びガスは、有利には、液化ナトリウム及び窒素を含む。

本発明による熱交換器によって対象とされる主な用途は、二次ループからの液体金属、例えば液化ナトリウムと、液体金属で、例えば液化ナトリウムで冷却される高速中性子炉の三次ループからのガスとしての窒素と、の間での熱交換であり、この高速中性子炉は、ＳＦＲ（ナトリウム高速炉）と呼ばれ、且ついわゆる第４世代原子炉のファミリーの一部を形成する。

この主な用途に関連して説明するが、本発明による熱交換器は、２つの流体、例えば液体とガスとの間での交換を必要とする任意の他の用途で、好ましくはコンパクト且つ高熱出力の熱交換器が必要なときに実施することができる。

本発明との関連で、“一次流体”は、熱用語での通常の意味、すなわち低温の流体である二次流体に自身の熱を移動させる高温の流体を示唆するものと理解されるべきである。

一方で、本発明との関連で、“二次流体”は、熱用語での通常の意味、すなわち熱が一次流体から移動される低温の流体を示唆するものと理解されるべきである。

主な用途では、一次流体は、ＳＦＲ炉の熱変換サイクルのいわゆる二次ループ内で流れるナトリウムである一方で、二次流体は、前記サイクルの三次ループ内で流れる窒素である。

最先端の技術
既存のいわゆるプレート熱交換器は、既存のいわゆるチューブ熱交換器よりも優れた重要な利点、特に、熱交換体積に対する表面積の都合のよい高い比率によりそれらプレート熱交換器の熱的性能水準及びコンパクト性を提供する。コンパクトなプレート交換器は、多くの産業分野で使用されている。

公知のチューブ交換器は、例えばチューブ及びカランドリア交換器であり、これらの交換器では、真っ直ぐな又はＵもしくはコイル状に曲げられたチューブの束が、穿孔プレート上に固定され、且つカランドリアと呼ばれるシール型容器の内部に配置されている。これらチューブ及びカランドリア交換器では、流体の一方がチューブの内部を流れる一方で、他方の流体がカランドリアの内部を流れる。これらチューブ及びカランドリア交換器は、大幅な体積を示し、従ってコンパクトではない。

文献は、圧力下のカランドリア内に配置されたコンパクトなプレート交換器モジュールを備える熱交換器の製造の説明をすでに含んでいる。

特許文献１は、本明細書で引用される。特許文献１は、シール型容器からなる、圧力下のカランドリア内に、波形を有するプレートの束を据え付けることを開示し、これら波形は、前記プレートが、それらの固有の機械的強度によって許容されるものよりも高い圧力で動作することを可能にする。このような交換器の実施は、波形プレートの束を製造するために使用される技術に極めて依存しており、それは、プレートの単一の束に制限され、交換器の単一の熱出力を制限する欠点が結果として伴う。

コンパクトなプレート交換器は、現在、原子力分野で実施されておらず、核工学コード(nuclear engineering code)は、それらを組み込んでいない。

しかしながら、企業ＡＲＥＢＡは、ＨＴＲ又はＶＨＴＲ（“高温原子炉”又は“超高温原子炉”）と呼ばれる、高温又は超高音のガスを有する原子炉で行われる研究の関連で、流体供給部の一部と、共通の分配マニホルドと、を配置することによって一連のプレート交換器モジュールのカランドリア内での設計のための解決法を提案した。例えば特許文献２で説明されるこの解決法は、交換器の単一の熱出力が連続する交換器モジュールの数を増やすことによって増大されるので、有利である。一方、交換器モジュールの径方向の向きと、カランドリアを形成するシール型容器に関連するマニホルドの相対的な配置と、は、一方では、液体の排出が不可能なのでガスとガスとの間の交換への交換器の使用を制限し、他方では、本当にコンパクトな交換器を有することを可能にしない。従って、構造体（シール型容器、支持体など）及びマニホルドによって占められる体積は、交換器モジュールの固有の体積よりも極めて大きい。

交換器のコンパクト性と単一の高熱出力との問題に加えて、本発明の発明者は、液体金属回路の重力排出、従ってこの回路内での保持区間の排除をもたらす必要性とともに、液体金属、例えば液化ナトリウムと、ガスと、の間の熱交換器を見つける必要性に迫られた。

プロトタイプの、液化ナトリウムで冷却される高速中性子原子炉のための発明者の研究との関連で、発明者は、コンパクトなプレート交換器モジュールを実施する、液化ナトリウムとガスとの間の熱交換器の設計のための解決法をすでに提案している。この解決法は、例えば非特許文献１で説明されている。

図１−図１Ｃは、この非特許文献１に開示されている熱交換器の図を複製したものである。

熱交換器１は、窒素（Ｎ_２）である第１流体（低温流体）と、液化ナトリウム（Ｎａ）である第２流体と、の間で熱を移動させるよう意図されている。

また、これらの図１−図１Ｃでは、窒素及びナトリウム及びが交換器１を出入りするときに提供される窒素及びナトリウムそれぞれの特徴的な温度及び圧力が示されている。特に、窒素の圧力は１８０ｂａｒであり、従って、１８０ｂａｒの圧力がシール型容器２の内部に広がっている。

中心軸Ｘの熱交換器１は、垂直且つ軸Ｘに対して平行に配置された複数３の交換器モジュール３．１，３．２，３．３，３．４が収納されたシール型容器２を備えている。図１Ａでよりよく示すように、同一の交換器モジュールの数は４に等しい。

シール型容器２は、基本的に略シリンダ形状からなり、且つ基本的にカバー２０と、カバー２０に接合された底部２１と、からなる。カバー２０は開口部を有していない。

従って、シール型容器２は、その長手方向端部の一方２ａに、窒素のための入口１０及び出口１１と、液化ナトリウムのための入口１２及び出口１３と、の双方を備えている。

各交換器モジュール３．１，３．２，３．３，３．４は、２つの流体回路を組み込み、これら回路の一方が、交換器モジュールの一次流体としてＳＦＲ原子炉に由来するナトリウム（Ｎａ）の流れ専用であり、他方が、二次流体としての窒素（Ｎ_２）の流れ専用である。

複数３の交換器モジュール３．１，３．２，３．３，３．４は、支持構造体４によって支持されている。

以下で説明するように、支持構造体４は、シール型容器２内で可撓性を有して固定されている。このために、交換器モジュール３．１，３．２，３．３，３．４は、可撓性アーム４０ａ，４０ｂ，４０ｃ（図１Ｃ）を介して容器２内で吊るされたオープンワーク支持プレート４０上に配置されている。

窒素のための入口チャンバ５が、容器２の上方の長手方向端部２ｂにおいて、交換器モジュール３．１−３．４と容器２のカバー２０との間で軸方向において容器２の上側に形成されている。

図１において内側を向く矢印によって示すように、このチャンバ５は、交換器モジュール３．１−３．４の１つに組み込まれた窒素回路の図示されない各入口と連通している。

チャンバ５の反対側では、第１中心マニホルド６が、中心軸（Ｘ）周りで軸方向に配置されている。この第１中心マニホルド６の機能は、交換器モジュール３．１−３．４においてナトリウムから熱が移動される高温の窒素を回収することである。

従って、この中心マニホルド６は、上流では交換器モジュール３．１−３．４の１つに組み込まれた窒素回路の図示しない各出口と連通している。下流では、この中心マニホルド６は、容器２からの窒素のための出口１１と連通している。

環状マニホルド７が、中心マニホルド６及び交換器モジュール３．１−３．４周りに配置されており、窒素のためのガイド空間を形成している。この環状マニホルド７の機能は、低温の窒素をチャンバ５内に導くことである。

より具体的に、この環状マニホルド７は、基本的に、裾広がり形状のディフレクタ７０と、シリンダ形状のシェル７１と、からなる。従って、窒素のためのガイド空間は、外側では容器２によって、且つ内側では第１中心マニホルド６、そしてディフレクタ７０及びシェル７１によって、上流から下流まで画成されている。環状マニホルド７は、第１中心マニホルド６周りに同軸的に配置されている。

従って、環状マニホルド７は、上流では容器２からの窒素のための入口１０と連通し、且つ下流ではチャンバ５と連通している。

複数８の入口導管８１，８２，８３，８４が、交換器モジュール３．１−３．４の１つに組み込まれたナトリウム回路の図示されない入口の各々に高温のナトリウムを導くように構成されている。

従って、各入口導管８１−８４は、上流では容器２におけるナトリウムのための入口１２と連通し、且つ下流では交換器モジュール３．１−３．４の１つに組み込まれたナトリウム回路の各入口３１−３４と連通している。

図１Ａでよりよく示すように、各入口３１−３４は、モジュール３．１−３．４の下側の側面に作り出され、従って、複数８の入口導管８１−８４は、これら側方入口３１−３４内に開くことができるように内側に湾曲させられている。

複数９の出口導管９１，９２，９３，９４が、交換器モジュール３．１−３．４の１つに組み込まれたナトリウム回路の出口の各々から低温のナトリウムを取り出すように構成されている。

従って、各出口導管９１−９４は、上流では交換器モジュール３．１−３．４の１つに組み込まれたナトリウム回路の出口と連通し、且つ下流では容器２におけるナトリウムのための出口１３と連通している。低温のナトリウムのための出口１３は、側方に且つ容器２の頂部に向かって形成されている。

図１Ａでよりよく示すように、各ナトリウム出口は、モジュール３．１−３．４の頂部の側面に作り出され、従って、複数９の出口導管９１−９４は、これら側方出口内に開くことができるように内側に湾曲させられている。

また、図１Ａでよりよく示すように、複数８の入口導管８１−８４は、容器２の入口１２を通じて高温の液化ナトリウムを導く第２中心マニホルド１４と連通している。第１中心マニホルド６は、第２中心マニホルド１４と同軸であり、環状マニホルド７と第２中心マニホルド１４との間に配置されている。

上で説明した熱交換器１の動作を、窒素及びナトリウムの経路に関して簡単に説明する。

低温の窒素は、３３０℃のオーダーの温度及び１８０ｂａｒのオーダーの圧力で入口１０を通って到達し、その後、環状マニホルド７によって容器２の頂部に導かれ、図１において後に再び下向きに浮かび上がる横矢印によって示すように、カバー２０によって入口チャンバ５に再び向けられる。

その後、窒素は、高温のナトリウムに由来する熱が窒素に伝達される熱交換器モジュール３．１−３．４を通って流れる。

高温となった窒素は、５１５℃のオーダーの温度でモジュール３．１−３．４から出てきて、その後、第１中心マニホルド６を介して出口１１を通って容器から取り出される。

ナトリウムでは、高温のナトリウムが、入口１２を通って第２中心マニホルド１４によって５３０℃のオーダーの温度で導かれ、その後、入口導管８１−８４によって各交換器モジュール３．１−３．４内に分配される。

その後、高温のナトリウムは、その熱を窒素に移動させる熱交換器モジュール３．１−３．４を通過する。

低温となったナトリウムは、３４５℃のオーダーの温度でモジュール３．１−３．４から出てきて、その後、出口導管９１−９４を介して出口１３を通って容器２から取り出される。

上で説明した熱交換器１は、単一の高熱出力及びコンパクトからなるという利点を表す。さらに、交換器モジュール３．１−３．４と、複数の入口導管８及び出口導管９と、第２中心マニホルド１４と、の配置は、高温のナトリウムのみであるがナトリウムの重力排出をもたらす。実際には、低温のナトリウムに対しては、出口導管の内側に湾曲した形状を考慮すると、低温のナトリウムが保持されることがほぼ確実である。

一方で、この熱交換器は、動作のために必要とされる温度レベルを考慮すると流体の分配が産業的スケールを保証することが困難であることを証明する可能性があるという大きな欠点を表す。従って、事実上、まず第一に、金属ベローズ１５を使用して、ナトリウムのための吸入マニホルド１４と、同軸である窒素のための出口マニホルド６と、の間の完全なスライドシールを保証する必要がある。さらに、交換器モジュール３．１−３．４を出た高温の窒素が、下向きに湾曲した矢印によって示すようにディフレクタ７０によって回収され、従って、このことは、交換器モジュール３．１−３．４の吊るされた支持構造体４，４０に熱的にストレスを与える。さらに、実際の支持部４０は、チャンバ５内に存在する高温の窒素と、下流で回収される低温の窒素と、の間のシールを作り出さなければならない。従って、アーム４０ａ−４０ｃの可撓性の良好な機械的及び熱的強度と、金属ベローズ１６を使用して支持体４０を通過するナトリウムのための入口導管８１−８４のレベルでの良好な可撓性と、の双方を保証する必要がある。

従って、特に、熱交換器に単一の高熱出力及び良好なコンパクト性を与えるとともに熱交換器の産業的な製造を保証することを目的として、圧力下のカランドリア内に配置されたコンパクトなプレート交換器モジュールを備えるタイプの熱交換器をさらに改良する必要がある。

仏国特許出願公開第２７３３８２３号明細書 仏国特許出願公開第２８８７６１８号明細書

L.Cachon and al. "Innovative power conversion system for the French SFR prototype, ASTRID", Proceeding of ICAPP’12, Chicago, USA, June 24-28, 2012, Paper 12300.

本発明の目的は、少なくとも部分的にこの要求を満たすことである。

このために、本発明の対象は、第１流体と第２流体との間の熱交換器であって、
− 中心軸を有するシール型容器であって、その長手方向端部の一方に、第１流体のための少なくとも１つの入口及び少なくとも１つの出口を備え、且つその長手方向端部の他方に、第２流体のための少なくとも１つの入口及び少なくとも１つの出口を備え、シール型容器が、加圧されるように構成された、シール型容器と、
− 第１流体回路及び第２流体回路を組み込んだ少なくとも１つの熱交換器モジュールであって、中心軸に対して平行に延在し、且つ容器の内部に配置された、熱交換器モジュールと、
− 容器に強固に固定され、少なくとも１つの交換器モジュールを支持及び保持するための構造体と、
− 第１流体のための入口又は出口チャンバであって、軸方向において支持体と容器との間に形成され、第１流体回路の入口及び出口の一方と連通する、入口又は出口チャンバと、
− 中心軸周りで延在する第１中心マニホルドであって、軸方向においてチャンバの反対側に配置され、一方では容器における第１流体のための入口及び出口の一方と連通し、且つ他方では第１流体回路の入口及び出口の他方と連通する、第１中心マニホルドと、
− 少なくとも支持体まで第１中心マニホルド及び少なくとも１つの交換器モジュール周りに配置された環状マニホルドであって、第１流体のためのガイド空間を形成し、且つ一方では容器における第１流体のための入口及び出口の他方と連通し、他方ではチャンバと連通する、環状マニホルドと、
− 一方では容器における第２流体のための入口と連通し、且つ他方では第２流体回路の入口と連通する少なくとも１つの入口導管と、
− 一方では容器における第２流体のための出口と連通し、且つ他方では第２流体回路の出口と連通する少なくとも１つの出口導管であって、入口導管及び出口導管が、支持及び保持構造体によって支持されていない、出口導管と、
を備えている、熱交換器である。

本明細書において本発明との関連では、“マニホルド”は、１つ以上のチャネルへ又は１つ以上のチャネルからそれぞれ流体を分配するか又は集めることが可能である装置を意味するものと理解されるべきである。

本明細書において本発明との関連では、“導管”は、単一のチャネルへ又は単一のチャネルから流体を分配又は集めることが可能である導管を意味するものと理解されるべきである。

本明細書において本発明との関連では、“支持及び保持構造体によって支持されていない導管”は、支持構造体の機能が導管のための支持体としてはたらかないことと、支持構造体が、導管からいかなる損傷機械力又は熱応力も受けないことと、を意味するものと理解されるべきである。言い換えると、導管は、支持及び保持構造体から所定距離離間して配置されている。さらに別の側面を加えると、導管と、支持及び保持構造体と、は、互いから機械的且つ熱的に分離されている。

言い換えると、本発明は、まず第１に、基本的に、二次流体、例えば窒素が供給及び回収される長手方向端部の反対側の同じ長手方向端部で、一次流体、例えばナトリウムを供給及び回収することが可能である熱交換器構造を規定することにある。これは、特に、流体の一方、例えばナトリウムのための調整されたアクセスと、流体の他方、例えば窒素のための調整されていないアクセスと、が可能である、交換器内の２つの流体の経路の間での物理的分離を有することを可能にする。

従って、非特許文献１による熱交換器と比較すると、高温の窒素を回収するためのマニホルドと、高温のナトリウムを供給するためのマニホルドと、の間で保証されるべきスライドシールが、省略される。

さらに、本発明は、交換器モジュールのための支持構造体をシール型容器に強固に固定することと、支持体の側で最も低温の流体（二次流体）を供給することと、にある。これにより、支持構造体は比較的低い温度にさらされ、従って、支持構造体は、小さい熱応力を受ける。

垂直動作形態では、熱交換器は、シール型容器の頂部に配置されて二次流体が取り出される第１中心マニホルドの反対側で、シール型容器の底部を通って重力によって一次流体を排出することを可能にする。

非特許文献１による熱交換器と比較しての別の利点は、交換器モジュールのための支持構造体及び導管の可撓性が省略されることである。

まとめると、本発明により、単一の高熱出力を有するコンパクトな交換器が、液体金属とガスとの間の交換のために、且つ産業的製造を容易且つ迅速に保証することができるために、得られる。

有利な一実施形態によれば、熱交換器は、
− 中心軸（Ｘ）に対して平行にそれぞれ延在し且つ外側容器の内部にそれぞれ配置された複数の熱交換器モジュールと、
− 一方では容器における第２流体のための入口とそれぞれ連通し、且つ他方では交換器モジュールの１つの第２流体回路の入口とそれぞれ連通する複数の入口導管と、
− 一方では容器における第２流体のための出口と連通し、且つ他方では第２流体回路の出口と連通する複数の出口導管と、
を備えている。このような交換器の単一の熱出力は高い。

好ましくは、特にコンパクト性及び流体分配の理由のために、複数の入口導管は第２中心マニホルドと連通している。

好ましくは、特にコンパクト性及び流体分配のために、複数の出口導管は第３中心マニホルドと連通している。

有利な一実施形態によれば、第３中心マニホルドは、第２中心マニホルド周りで同軸的に配置されている。

有利な変形例によれば、各交換器モジュールにおける第１流体回路及び／又は第２流体回路の入口は、各モジュールの長手方向端部に配置されている。

有利な変形例によれば、第１流体回路及び／又は第２流体回路の出口は、各モジュールの長手方向端部に配置されている。

有利には、各交換器モジュールにおける第１流体回路の入口及び第２流体回路の出口は、同じ長手方向端部に配置され、各交換器モジュールにおける第２流体回路の入口及び第１流体回路の出口は、同じ反対側の長手方向端部に配置されている。

本発明は、本発明の別の側面の対象である、上で説明した熱交換器を動作させる方法にも関し、シール型容器は、第１流体のための入口及び出口が頂部にあり且つ第２流体のための入口及び出口が底部にあるように略垂直に配置されている。

本発明は、上で説明した熱交換器の使用にも関し、二次流体としての第１流体はガス又はガス混合物であり、一次流体としての第２流体は液体金属である。

有利な一実施形態によれば、第１流体は主に窒素を含み、第２流体は液化ナトリウムである。

第１流体又は第２流体は、原子炉に由来してもよい。

最後に、本発明は、ＲＮＲ−Ｎａ又はＳＦＲと呼ばれる、液体金属、特に液化ナトリウムで冷却される高速中性子原子炉と、すでに説明した熱交換器と、を備える核施設に関する。

本発明の他の利点及び特徴は、添付の図面を参照して説明的且つ非限定的な方法で与えられる本発明の例示的な実施の詳細な説明を参照することでより明らかになるであろう。

従来技術による熱交換器の長手方向断面斜視図である。 図１による熱交換器の斜視切断図である。 図１による熱交換器の詳細図である。 図１による熱交換器の詳細図である。 本発明による熱交換器の斜視切断図である。 図２による熱交換器の上部の斜視切断図である。 図２による熱交換器の下部の斜視切断図である。 図２による熱交換器の複数の交換器モジュール及び支持構造体のパーツの斜視図である。 図２による熱交換器の複数の交換器モジュール及び支持構造体のさらなるパーツの斜視図である。 図２による熱交換器の複数の交換器モジュール及び支持構造体の別のさらなるパーツの斜視図である。 図５の詳細図である。 図５を繰り返した図であって、本発明による熱交換器の第１中心マニホルドも斜視図で示す、図である。 図６を繰り返した図であって、本発明による熱交換器の流体の１つのための入口導管及び出口導管と、それらの中心マニホルドと、を斜視図で示す、図である。 図７に示す、流体の１つのための入口導管及び出口導管と、それらの中心マニホルドと、の分離斜視図である。 図７を繰り返した図であって、本発明による交換器のシール型容器の底部における環状マニホルドの一部の配置と、入口導管及び出口導管並びにそれらの中心マニホルドの配置と、を斜視図で示す。 シール型容器のカバーと環状マニホルドの別の部分との間の相対配置の切断斜視図である。

本出願の全体にわたって、用語“垂直”、“下方”、“上方”、“底部”、“頂部”、“下側”及び“上側”は、本発明によるシール型容器が垂直動作形態にあるときの本発明による熱交換器に対する参照によるものと理解されるべきである。従って、動作形態では、シール型容器２の中心軸Ｘは垂直であり、カバー２０は頂部にある。

同様に、本出願の全体にわたって、用語“入口”、“出口”、“下流”及び“上流”は、本発明による熱交換器を通る２つの流体の一方又は他方の流れの方向を参照によるものと理解されるべきである。

明瞭にする理由から、同じ参照符号は、図１−図１Ｃを参照してすでに説明した従来技術による熱交換器１と、図２−図９を参照して説明する本発明による熱交換器１と、の双方に対して同じ要素を示す。

非特許文献１に開示される従来技術による熱交換器１の図１−図１Ｃは、本明細書の序文においてすでに説明した。従って、図１から図１Ｃは、以下では詳細に説明しない。

本発明の発明者は、この非特許文献１による熱交換器の利点、すなわち、基本的な良好なコンパクト性及び単一の高熱出力を維持しながらもその主要な欠点をなくそうとしていた。それにより、発明者は、産業的方法で流体の分配を保証しようとしなければならない。

従って、発明者は、図２から図９に示す熱交換器１を提案し、この熱交換器は、窒素（Ｎ_２）である第１流体（低温流体）と、液化ナトリウム（Ｎａ）である第２流体と、の間で熱を移動させるよう意図される。

熱交換器１は、シール型容器のカバー２０が頂部にある、その垂直動作形態で表してある。

中心軸Ｘの熱交換器１は、垂直且つ軸Ｘに対して平行に配置された複数３の交換器モジュール３．１，３．２，３．３，３．４，３．５，３．６，３．７，３．８が収納されたシール型容器２を備えている。図２から図９に示す実施形態では、同一の交換器モジュールの数は８に等しい。

シール型容器２は、基本的に略シリンダ形状からなり、且つ基本的にカバー２０、底部２１及びシェル状の側方ジャケット２２からなる。カバー２０及びシェル２２は、ボルト２３の第１グループによりともに接合されている。また、底部２１及びシェル２２は、ボルト２３の第２グループによりともに接合されている。

シール型容器２は、その長手方向端部の一方２ａにおいて、窒素のための入口１０及び出口１１を備えている。

容器２の長手方向端部の他方２ｂでは、液化ナトリウムのための入口１２及び出口１３が設けられている。

各交換器モジュール３．１−３．８は、２つの流体回路を組み込んでおり、これら回路の一方が、交換器モジュールのための一時流体として原子炉ＳＦＲに由来するナトリウム（Ｎａ）の流れ専用であり、他方が、二次流体としての窒素（Ｎ_２）の流れ専用である。

複数３の交換器モジュール３．１−３．８は、支持及び保持構造体４によって支持されている。従って、支持及び保持構造体４は、外側容器２に強固に固定されている。

窒素のための入口チャンバ５が、容器の下方の長手方向端部２ｂにおいて、支持構造体４と容器２の底部２１との間で軸方向において容器２の下側に形成されている。言い換えると、このチャンバ５は、支持構造体４と容器２の底部２１との間の利用可能な空間である。

このチャンバ５は、交換器モジュール３．１−３．８の１つに組み込まれた窒素回路の図示しない各入口と連通している。

チャンバ５の反対側では、第１中心マニホルド６が中心軸Ｘ周りで軸方向に配置されている。この第１中心マニホルド６の機能は、交換器モジュール３．１−３．８においてナトリウムから熱が移動される高温の窒素を回収することである。従って、この高温のマニホルド６は、モジュール３．１−３．８に共通であるが、出口３０によってこのマニホルドにそれぞれ独立して供給を受ける。

従って、この中心マニホルド６は、上流では交換器モジュール３．１−３．４の１つに組み込まれた窒素回路の各出口３０と連通している。この中心マニホルドは、下流では容器２における窒素のための出口１１と連通し、すなわちカバー２０を通過している。

環状マニホルド７が、中心マニホルド６及び交換器モジュール３．１−３．８周りで同軸的に軸方向に配置され、これにより、窒素のためのガイド空間を形成する。この環状マニホルド７の機能は、低温の窒素をチャンバ５内に導くことである。

より具体的に、この環状マニホルド７は、基本的に、裾広がり形状のディフレクタ７０と、シリンダ形状のシェル７１と、からなる。環状マニホルド７は、シート金属ワークによって製造された単一のピースからなってもよい。

ディフレクタ７０と容器のカバー２０との間の相対的な配置は、図９に示してある。

入口１０に由来する低温の窒素のためのガイド空間７２は、外側では容器２によって、且つ内側では環状マニホルド７のみによって、つまりディフレクタ７０及びシェル７１によって上流から下流まで画定されている。従って、シェル７１の機能は、モジュール３．１−３．８の底端部によって分配するために、低温の窒素をシール型容器２の壁に沿ってガイドすることである。言い換えると、環状空間７２内で分配される低温の窒素は、概して約３３０℃にシール型容器２の壁の温度を設定する。

従って、環状マニホルド７は、上流では容器２における窒素のための入口１０と連通し、且つ下流ではチャンバ５と連通している。

複数８の入口導管８１，８２，８３，８４，８５，８６，８７，８８が、交換器モジュール３．１−３．８の１つに組み込まれたナトリウム回路の入口３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８の各々に高温のナトリウムを導くように構成されている。

従って、各入口導管８１−８８は、上流では容器２におけるナトリウムのための入口１２と連通し、且つ下流では交換器モジュール３．１−３．８の１つに組み込まれたナトリウム回路の各入口３１−３８と連通している。有利には、複数８の入口導管は、第２中心マニホルド１４と連通している。

図２でよりよく示すように、各入口３１−３８は、モジュール３．１−３．８の頂部に作り出され、従って、複数８の入口導管８１−８８は、これらの長手方向入口３１−３８に出てくることができるように内側に湾曲させられている。

図示しない変形例として、各入口３１−３８が、モジュール３．１−３．８の頂部において長手方向側面に作り出されて設けられてもよい。複数９の出口導管９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８が、交換器モジュール３．１−３．８の１つに組み込まれたナトリウム回路の出口の各々から低温のナトリウムを取り出すように構成されている。

従って、各出口導管９１−９８は、上流では交換器モジュール３．１−３．８の１つに組み込まれたナトリウム回路の出口と連通し、且つ下流では容器２におけるナトリウムのための出口１３と連通している。低温のナトリウムのための出口１３は、底部２１を通って容器２の底部に向かって形成されている。有利には、複数９の出口導管は、第３中心マニホルド１７と連通している。

複数の入口導管８及び出口導管９と、それらの相対的な配置と、の例示的で有利な実施形態は、図７Ａに示してあり、第２中心マニホルド１４周りでの第３中心マニホルド１７の同軸配置が、はっきりと見ることができる。

図３によりよく示すように、支持及び保持構造体４は、容器２の底部２１の内部の周囲ショルダに当接する支持プラットフォーム４０を備えている。本発明に従えば、低温の窒素の供給部と高温の窒素の回収部との間の相対的なシール機能が、プラットフォーム４０のために作り出される必要がない。従って、以下でよりはっきりと明らかになるように、ナトリウムのための入口導管８と出口導管９との間の金属ベローズによる可撓性が要求されない。

従って、プラットフォーム４０は、特に重量を減少するためにオープンワークである。交換器モジュール３．１−３．８の底面へのアクセスのためにクリアランスが必要とされる場合、大きい寸法の開口部が作り出されることができる。従って、例として、プラットフォーム４０は、機械化された溶接によって作り出されるビームの組立体であってもよい。モジュール３．１−３．８は、プラットフォーム４０上に設置され、且つプラットフォーム４０上に固定された山形鋼により所定位置に保持されている（図３）。

また、支持及び保持構造体４は、プラットフォーム４０上にも固定された、交換器モジュール３．１−３．８を側方で保持するための手段４１を備えている（図４）。例として、側方保持手段４１は、モジュールの外形を厳密にたどる、機械化された溶接によって作り出されるビームの組立体であってもよい。側方保持手段４１は、互いに対して９０°であり且つモジュール３．１−３．８を４つの等しいグループに分割するビームの２つのグループであってもよい（図４）。

シールプレート４２が、保持構造体４１上に螺合されている（図５）。シールプレート４２の機能は、熱交換器内に導かれた低温の窒素と、第１中心マニホルド６によって回収される、各交換器モジュール３．１−３．８を出る高温の窒素と、の間のシールを作り出すことである。

第１中心マニホルド６又は高温の窒素マニホルドは、シールプレート４２上に直接固定されている。

中心マニホルド６とモジュール３．１−３．８との間のスライドシールシステムの例示的で有利な実施形態は、図５Ａに示してあり、フランジ４３が、ネジ４４によりシールプレート４２上に固定されており、モジュールの出口３０とマニホルド６との間にセグメントシール４５が、配置されている。また、シール４６が、フランジ４３とシールプレート４２との間に配置されている。変形例として、金属ベローズが設けられてもよい。

説明した熱交換器１の動作を、窒素及びナトリウムの経路と関連してこれから簡単に説明する。

低温の窒素は、３３０℃のオーダーの温度及び１８０ｂａｒのオーダーの圧力で、入口１０を通って到達し、その後、図２において横矢印で示されるように、環状マニホルド７によって、容器２の底部へ、底部２１の上側の入口チャンバ５へ導かれる。

その後、窒素は、高温のナトリウムに由来する熱が窒素に移動される熱交換器モジュール３．１−３．８を通って流れる。

高温となった窒素は、５１５℃のオーダーの温度でモジュール３．１−３．８を出て、その後、第１中心マニホルド６を介して出口１１によって容器から取り出される。

ナトリウムでは、高温のナトリウムは、第２中心マニホルド１４によって、５３０℃のオーダーの温度で入口１２を通って導かれ、その後、図２において上方への垂直矢印によって示すように、入口導管８１−８８によって各交換器モジュール３．１−３．８内に分配される。

その後、ナトリウムは、その熱を窒素に移動させる熱交換器モジュール３．１−３．８を通過する。

低温となったナトリウムは、３４５℃のオーダーの温度で、モジュールの底端部によってモジュール３．１−３．８を出て、その後、出口導管９１−９８を介して出口１３によって容器２から取り出される。

本発明による熱交換器１では、低温のガス（低温のＮ_２）は、頂部から底部まで、高温のナトリウムと向流状態で流れる。従って、図２Ａ及び図２Ｂでよりよく示すように、低温のガス（低温のＮ_２）が、チャンバ５内に到達し、モジュール３．１−３．８の底部内に入り、その後、モジュール３０の出口を通って高温をあずけ、これにより、マニホルド６に流れ込み、最終的に出口１１によって熱交換器を出る。図２Ａに示すように、本発明による熱交換器１では、各モジュールに対してガス入口マニホルドがなく、ディフレクタ７と容器２との間に画成されたガスチャネルは、チャンバ５において容器内に直接出てくる。従って、容器２によって画成されたチャンバ５は、ガス入口マニホルドとして作用する。

流体の流れは、自然な対流流れに対応する。

実際には、強制対流が、名目上の動作のために提供され、言い換えると、交換器１においてガス及び液化ナトリウムの運動を開始させる。その後、事故の発生時に（例えばポンプの停止時に）、流れが自然対流によって継続することできる。実際には、冷却ナトリウムは、自然に下る傾向があり、ナトリウムが交換器モジュール３．１−３．８内で冷却される場合、ナトリウムの取り出しは重力によって容易にされる。従って、低温となったナトリウムは、その重力排出を改善するデバイスの底部内に放出される。

窒素では、低温のガス（Ｎ_２）は、シール型容器２の壁に沿って降下し、且つ中心マニホルド６によって取り出されるために再加熱されるときに再上昇される。熱は、熱交換器１の頂部に向かって前進することに都合がよい。

他の変形例及び機能強化が、本発明の範囲から逸脱することなく提供されることができる。

１ 熱交換器、２ シール型容器、２ａ 長手方向端部の一方、２ｂ 長手方向端部の他方、３．１−３．８ 熱交換器モジュール、４，４０ 構造体、５ 入口又は出口チャンバ、６ 第１中心マニホルド、７ 環状マニホルド、８，８１−８８ 入口導管、９，９１−９８ 出口導管、１０ 入口、１１ 出口、１２ 入口、１３ 出口、１４ 第２中心マニホルド、１７ 第３中心マニホルド、７２ ガイド空間、Ｎ_２ 第１流体、Ｎａ 第２流体、Ｘ 中心軸

Claims (13)

1. 第１流体（Ｎ_２）と第２流体（Ｎａ）との間の熱交換器（１）であって、
   − 中心軸（Ｘ）を有するシール型容器（２）であって、その長手方向端部の一方（２ａ）において前記第１流体のための少なくとも１つの入口（１０）及び少なくとも１つの出口（１１）を備え、且つその長手方向端部の他方（２ｂ）において前記第２流体のための少なくとも１つの入口（１２）及び少なくとも１つの出口（１３）を備え、前記シール型容器が、加圧されるように構成された、シール型容器（２）と、
   − 第１流体回路及び第２流体回路を組み込んだ少なくとも１つの熱交換器モジュール（３．１−３．８）であって、前記中心軸（Ｘ）に対して平行に延在し、且つ前記シール型容器の内部に配置された、熱交換器モジュール（３．１−３．８）と、
   − 前記シール型容器（２）に強固に固定された、前記少なくとも１つの熱交換器モジュールを支持及び保持するための構造体（４，４０）と、
   − 前記第１流体のための入口又は出口チャンバ（５）であって、軸方向において前記支持体と前記シール型容器との間に形成され、且つ前記第１流体回路の前記入口及び前記出口（３０）の一方と連通する、入口又は出口チャンバ（５）と、
   − 前記中心軸周りで延在する第１中心マニホルド（６）であって、軸方向において前記チャンバの反対側に配置されており、且つ一方では前記シール型容器における前記第１流体のための前記入口（１０）及び前記出口（１１）の一方と連通し、他方では前記第１流体回路の前記入口及び前記出口（３０）の他方と連通する、第１中心マニホルド（６）と、
   − 少なくとも前記支持体（４，４０）まで前記第１中心マニホルド（６）及び前記少なくとも１つの熱交換器モジュール周りに配置された環状マニホルド（７）であって、前記第１流体のためのガイド空間（７２）を形成し、且つ一方では前記シール型容器における前記第１流体のための前記入口（１０）及び前記出口（１１）の他方と連通し、他方では前記チャンバ（５）と連通する、環状マニホルド（７）と、
   − 一方では前記シール型容器における前記第２流体のための前記入口（１２）と連通し、且つ他方では前記第２流体回路の前記入口（３１−３８）と連通する少なくとも１つの入口導管（８，８１−８８）と、
   − 一方では前記シール型容器における前記第２流体のための前記出口（１３）と連通し、且つ他方では前記第２流体回路の前記出口と連通する少なくとも１つの出口導管（９，９１−９８）であって、前記入口導管及び前記出口導管（８，８１−８８；９，９１−９８）が、前記支持及び保持構造体によって支持されていない、出口導管（９，９１−９８）と、
   を備えることを特徴とする熱交換器（１）。
2. − 前記中心軸（Ｘ）に対して平行にそれぞれ延在し且つ前記外側容器の内部にそれぞれ配置された複数（３）の熱交換器モジュール（３．１−３．８）と、
   − 一方では前記シール型容器における前記第２流体のための前記入口（１２）とそれぞれ連通し、且つ他方では前記熱交換器モジュールの１つの前記第２流体回路の前記入口（３１−３８）とそれぞれ連通する複数（８）の入口導管（８１−８８）と、
   − 一方では前記シール型容器における前記第２流体のための前記出口（１３）と連通し、且つ他方では前記第２流体回路の前記出口と連通している複数（９）の出口導管（９１−９８）と、
   を備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器（１）。
3. 前記複数（８）の入口導管が、第２中心マニホルド（１４）と連通していることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器（１）。
4. 前記複数（９）の出口導管が、第３中心マニホルド（１７）と連通していることを特徴とする請求項２又は３に記載の熱交換器（１）。
5. 前記第３中心マニホルド（１７）が、前記第２中心マニホルド（１４）周りで同軸的に配置されていることを特徴とする請求項４と組み合わせる請求項３に記載の熱交換器（１）。
6. 各熱交換器モジュール（３．１−３．８）における前記第１流体回路（３１−３８）及び／又は前記第２流体回路の前記入口が、各熱交換器モジュールの長手方向端部に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
7. 前記第１流体回路及び／又は前記第２流体回路の前記出口（３０）が、各熱交換器モジュールの長手方向端部に配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器（１）。
8. 各熱交換器モジュールにおける前記第１流体回路の前記入口及び前記第２流体回路の前記出口が、同じ長手方向端部に配置されており、各熱交換器モジュールにおける前記第２流体回路の前記入口及び前記第１流体回路の前記出口が、同じ反対側の長手方向端部に配置されていることを特徴とする請求項７と組み合わせる請求項６に記載の熱交換器（１）。
9. 前記シール型容器が、前記第１流体のための前記入口及び前記出口が頂部にあり且つ前記第２流体のための前記入口及び前記出口が底部にあるように略垂直に配置されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器（１）を稼働させるための方法。
10. 二次流体としての前記第１流体が、ガス又はガス混合物であり、一次流体としての前記第２流体が、液体金属であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器（１）の使用。
11. 前記第１流体が主に窒素を含み、前記第２流体が液化ナトリウムであることを特徴とする請求項１０に記載の組立体の使用。
12. 前記第１流体又は前記第２流体が、原子炉に由来することを特徴とする請求項１０又は１１に記載の使用。
13. 液体金属、特に液化ナトリウムで冷却される、ＲＮＲ−Ｎａ又はＳＦＲと呼ばれる高速中性子原子炉と、請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器と、を備える核施設。

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