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EUR 42071 COMMUNAUTE EUROPEENNE DE L'ENERGIE ATOMIQUE - EURATOM ETUDE THEORIQUE DE LA DIFFUSION DE L'HYDROGENE DANS UN TUBE-GUIDE EN ALLIAGE DE ZIRCONIUM : : PUITS D'HYDROGENE ET EFFET DES JONCTIONS par B. HUBER et M. F. JAMET 1968 Programme ORGEL Centre Commun de Recherche Nucléaire Etablissement d'lspra - Italie _Projet ORGE.L
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EUR 42071
COMMUNAUTE EUROPEENNE DE L'ENERGIE ATOMIQUE - EURATOM
ETUDE THEORIQUE DE LA DIFFUSION DE L'HYDROGENE DANS UN TUBE-GUIDE EN
ALLIAGE DE ZIRCONIUM : : PUITS D'HYDROGENE
ET EFFET DES JONCTIONS
par
B. HUBER et M. F. JAMET
1968
Programme ORGEL
Centre Commun de Recherche Nucléaire Etablissement d'lspra - Italie
_Projet ORGE.L
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Le présent document a été élaboré sous les auspices de la Commission des Communautés Européennes.
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Imprimé par Vanmelle S.A. Bruxelles, décembre 1968
Le présent document a été reproduit à partir de la meilleure copie disponible.
EUR 42071
COMMUNAUTE EUROPEENNE DE L'ENERGIE ATOMIQUE - EURATOM
ETUDE THEORIQUE DE LA DIFFUSION DE L'HYDROGENE DANS UN TUBE-GUIDE EN
ALLIAGE DE ZIRCONIUM : PUITS D'HYDROGENE
ET EFFET DES JONCTIONS
par
B. HUBER et M.F. JAMET
1968
Programme ORGEL
Centre Commun de Recherche Nucléaire Etablissement d'Ispra - Italie
Projet ORGEL
RESUME
L'extraction de l'hydrogène provenant de la corrosion du tube-guide par le réfrigérant organique au moyen d'ailettes soudées à la paroi externe du tube-guide ( « puits d'hydrogène ») est étudiée. Les répartitions de la température et de la concentration en hydrogène dans le tube et les ailettes sont calculées à l'aide du code Difhyd. Une étude paramétrique ainsi que la conception de puits d'hydrogène pour le canal du Prototype ORGEL sont proposées. La propagation le long du tube-guide de l'hydrogène absorbé aux jonctions alliage de zirconium/ acier est calculée.
MOTS-CLES
ZIRCONIUM STEELS JOINTS ADSORPTION HYDROGEN CORROSION ORGANIC COOLANT ORGEL REACTOR TEMPERATURE ABUNDANCE D-CODES
MATIERES
1. INTRODUCTION
2. LOIS DE DIFFUSION D'HYDROGENE
J. CALCUL DES PUITS D'HYDROGENE
J.1. Méthode de calcul
J.2. Caractéristiques physiques utilisées
4. ETUDE PARAMETRIQUE DES PUITS D'HYDROGENE
5. PUITS D'HYDROGENE POUR LE PROTOTYPE ORGEL
6.
5.1. Données
5.2. Conception de puits d'hydrogène
5.J. Performances du système retenu et compa -
raison avec le tube-guide non-protégé
PROPAGATION DE L'HYDROGENE ABSORBE AUX JONCTIONS
6. i.
6.2.
Dérivation des formules
Résultats
CONCLUSION
REFERENCES
TABLEAUX
FIGURES
Page J
5
7
7
8
10
11
11
12
15
15
16
17
-J-
1. INTRODUCTION
Les alliages de zirconium sont le matériau
de structure préféré des réacteurs modérés à l'eau
lourde parce qu'ils permettent de réaliser une bonne
économie neutronique. Leur emploi dans un réfri-
gérant hydrogéné, que ce soit de l'eau, de la vapeur
d'eau ou un liquide organique, pose cependant le pro
blème de 1 1hydruration, si la température dépasse
J00°C environ. L'hydrogène provenant du réfrigé-
rant peut donner lieu à la formation d'hydrure de
zirconium, qui réduit la ductilité et la résilienèe
du matériau.
L'avant-projet établi par le groupement in -
dustriel pour le concours Prototype ORGEL prévoit un
tube-guide en Zr - 2,5% Nb; cet alliage est celui qui
parmi les alliages de zirconiwn suffisamment développés
pour être utilisés dans un réacteur de puissance absorbe
le moins d'hydrogène. Néanmoins, il a paru prudent
aux industriels de choisir une épaisseur importante
(J,5 mm) et d'envisager le remplacement des tubes-guides
après un fonctionnement d'environ 10 ans, pour éviter le
risque de l'hydruration.
Afin de résoudre le problème de l'hydruration
de façon plus économique, les voies suivantes ont été
prospectées:
développement d'alliages nouveaux absorbant moins
d'hydrogène (Ozhennite, ZrFeCu);
recouvrement du tube-guide par une peau formant
barrière à l'hydrogène;
extraction in situ de l'hydrogène par des "puits
d'hydrogène".
-4-
Cette dernière solution fait l'objet principal
de l'étude présente. Les puits d'hydrogène sont des
ailettes soudées à la paroi externe du tube-guide. Le
gradient thermique le long des ailettes fait diffuser
l'hydrogène vers les sommets des ailettes, où il se de-
pose sous forme d'hydrure. A cet endroit l'hydrure
n'est pas nocif, car les ailettes n'ont pas de fonction
mécanique.
La protection de tubes-guides par des puits
d'hydrogène a été inventée au Canada et un brevet a été
demandé (1). L'efficacité de la protection fut de -
montrée par une expérience hors pile (2). Elle a
d'ailleurs été constatéeégalement en pile sur des gaines
de combustible (J).
La section 6 de cette étude est consacrée à
l'hydrogénation au niveau des jonctions, où les extré
mités du tube-guide en zirconium sont raccordées à ses
prolongements en acier. Diverses expériences ont en
effet montré que de l'hydrogène provenant de l'organique
pouvait facilement entrer dans les alliages de zirconium
à travers l'acier, si les deux métaux sont liés mé -
tallurgiquement. C 1 est précisement le cas pour
deux types de jonction développés dans le programme ORGELi
jonctions fabriquées par martelage à chaud et jonctions
fabriquées par explosion. *) Les résultats disponibles ne
*) Les jonctions basées sur une liaison métallurgique se distinguent des jonctions mécaniques (manclrinées par exemple) par une étanchéité parfaite et un encombrement réduit.
2.
-5-
permettant pas encore d'évaluer le débit d'hydrogène
traversant les jonctions - en particulier, on ignore
l'influence de la pression partielle d'hydrogène dans
le réfrigérant - nous nous limitons ici à étu -
dier comment l'hydrogène absorbé à une extrémité se
propage le long du tube guide.
LOIS DE DIFFUSION D'HYDROGENE (4) (5)
Les forces motrices, qui font diffuser l'hydro
gène dissous dans le zirconium, sont dues aux gradients
de concentration et de température. L'hydrogène
diffuse vers les zones de concentration faible - c'est
la loi normale de toute diffusion (loi de Fick) - et
vers les zones de basse température.
d'hydrogène est donné par la formule:
r =
D =
1 :::; - D (grad N + s
flux d'hydrogène
coefficient de diffusion
N Q s
Ainsi, le flux
grad T)
N = concentration d'hydrogène dissous s
Q = chaleur de transport
R = constante universelle des gaz
T = température absolue.
Si la concentration d'hydrogène dépasse la limite
de solubilité, l'excès d'hydrogène précipite sous forme
d'une seconde phase, l'hydrure de zirconium. On fait
-6-
l'hypothèse, qu'en présence d'hydrure, la solution
est en équilibre avec l'hydrure, donc:
N = N pour N ~ s s
N = s pour N ~ s B
N = concentration totale d'hydrogène
s = limite de'solubilité.
La concentration maximale possible est atteinte,
si tout le métal est transformé en hydrure, donc s
N C
C = limite de concentration.
La variation temporelle de la concentration obéit
à la loi de continuité:
t = temps.
=
ù t
~
- div I
-7-
). CALCUL DES PUITS D'HYDROGENE
J.1. Méthode de calcul
Les calculs sont fait à l'aide du code Difhyd
qui est décrit en détail dans la référence (6).
Le calcul s'étend circonférentiellement - et,si
les soudures ne sont pas continues, axialement - du plan
médian d'une soudure jusqu'au plan médian entre cette
soudure et la soudure consécutive. Les tubes-canal
sont schématisés par des surfaces planes. Le domaine
obtenu ainsi est découpé en zones rectangulaires et tri
angulaires pour la résolution des équations différentielles
par la méthode des différences finies (voir fig. 9).
1)
2)
Le calcul se déroule en deux étapes:
Calcul_thermique: Evaluation de la répartition
de température, à partir des températures données
de l'organique et de l'eau lourde. Le domaine
de calcul comprend le tube-guide avec les ailettes,
le gaz isolant et le tube de calandre.
Calcul_de_diffusion_d'hydrogène: Le domaine de
calcul comprend le tube-guide avec les ailettes.
On considère qu'une zone en bout d'ailette est
transformée en hydrure et on impose la condition
N = S à l'interface entre cette zone et le reste s
de l'ailette. Avec cette condition et considérant
l'état d'équilibre (div 7 "' o), on calcule la
répartition de la concentration d'hydrogène.
-8-
Ensuite on calcule la quantité de l'hydrogène
présent dans l'ensemble tube-ailettes, ce qui
permet d'évaluer le temps de fonctionnement
correspondant à l'état d'hydrogénation calculé.
J.2. Caractéristiques physiques utilisées
*) Coefficients d'échange thermique :
organique/tube guide : 1,4 W/cm 2 0 c
tube de calandre/eau lourde: 0,15 W/cm 2 °C
Conductibilités thermiques:
alliages de zirconium (7) :
k = • 10-J T) W/cm° K
gaz carbonique (8) :
k = 2 1 52. 10-7 T 1 ' 156
azote (8) : k = J,417 • 10-6 T 0,762
Coefficient d 1 émissivité global des tubes-canal(9) : 0,27.
-12 Constante de Stephan-Boltzmann: 5,67 • 10
*) Ces valeurs correspondent aux conditions d'un canal ORGEL (vitesse d'organique égale à 10 m/s; con -vection naturelle pour l'eau lourde).
-9-
Taux d'absorption d'hydrogène (pour l'alliage Zr-2,5% Nb)
( 10) ( 11) :
A = 49055 exp (- 9855/T)
Coefficient de diffusion d'hydrogène (4) :
D = 2, 17 . 10-J exp (- 8JOO/RT)
Chaleur de transport (5) :
Q = 6000 cal/mole
Limite de solubilité d'hydrogène (12) •)
1
s = 1,2 . 105 exp (-8550/RT)
Limite de concentration d'hydrogène :
C = 18000 ppm
2 mg/dm j
2 cm /s
ppm
*) Cette relation a été adoptée parce qu'elle découle du plus grand nombre d'expériences. Il ne paraît pas y avoir de différence significative entre les alliages d'intérêt (Zr-2 1 Zr Nb ect.) qui sont tous à faible quantité de métal d'appoint. Voir aussi ( 1J) ( 14).
4.
-10-
ETUDE PARAMETRIQUE
Une étude paramétrique a été faite afin d'évaluer
l'influence des caractéristiques géométriques et des con
ditions de fonctionnement sur les performances des puits
d'hydrogène.
On s'est basé sur des puits d'hydrogène en forme
de bandes suivant des génératrices équidistantes du tube
guide•>. La ligne médiane de chaque bande est sou-
dée en eontinu ou par point au tube-guide. Chaque bande
représente ainsi une paire d'ailettes (voir fig. 7).
L'influence isolée des paramètres suivants a été
examinée autour d'un point de référence
épaisseur du gaz isolant
rapport hauteur d'ailettes/épaisseur de gaz isolant
longueur des ailettes
épaisseur des ailettes
nombre d'ailettes
largeur de soudure
longueur d'interruption de la soudure
température d'organique
nature du gaz isolant (co2
, N2
)
taux d'hydrogénation
densité d'échauffement par rayons K
Les valeurs numériques utilisées sont données
dans le tableau 1.
•) Il est aussi envisageable d'arranger les bandes circonférentiellement ou en hélice. Ceci serait avantageux si on craint un affaiblissement du tube-guide par la soudure. Les calculs présentés ici restent valables pour des telles configurations, à condition d'espacement d'ailettes égal.
-11-
Les résultats sont donnés dans les figure•
suivantes:
température au bout d'ailette:
pertes thermiques dues aux ailettes:
concentration maximale d'hydrogène dans le tube-guide lorsque la limite de solubilité est auateinte en bout d'ailette:
temps de fonctionnement pour atteindre la limite de solubilité en bout d'ailette:
concentration maximale d'hydrogène dans le tube-guide lorsque la moitié de l'ailette est transformée en hydrure:
temps de fonctionnement pour atteindre la transformation en hydrure de la moitié de l'ailette:
Fig. 1
Fig. 2
Fig. J
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
L'augmentation due aux ailettes de la température
maximale locale du tube de calandre est en général né -
gligeable (inférieure à 1 °C pour presque tous les cas
étudiés).
5. PUITS D'HYDROGENE POUR LE PROTOTYPE ORGEL
5.1. Données
Le tableau 2 donne les caractéristiques de conception
et de fonctionnement du canal, prévues dans l'avant-projet
du groupement pour le Prototype ORGEL. Ces caractéri -
stiques seront adoptées ici pour la conception de puits d'hy
drogène, à l'exception de l'épaisseur du tube-guide.
-12-
L'épaisseur prévue dans l'avant-projet (J,5 mm)
- pour un tube-guide non-protégé - a été dictée par des
considérations d'hydruration. Pour le tube-guide à
puits d'hydrogène, nous adoptons une épaisseur de 2,5 mm,
valeur qui est considérée comme le minimum pour des ,
raisons de fabrication et qui est certainement suffisante •)
du point de vue de la résistance mécanique •
En conséquence de la réduction de l'épaisseur du
tube-guide, l'épaisseur de l'espace isolant est portée
de 5 à 6 mm.
5.2. Conception de puits d'hydrogène
Comme dans le paragraphe 4 on adopte des bandes soudées
le long de génératrices du tube-guide. Une section très
faible de soudure entre ailette et tube-guide serait suffi
sante pour l'extraction de l'hydrogène (voir paragraphe 4).
La soudure doit cependant résister aux contraintes thermiques
(cisaillement) dues à la différence des températures du tube U)
guide et des ailettes • Pour cette raison on adopte
une soudure continue avec une largeur égale à 2 fois l'é -
paisseur de l'ailette.
Il parait souhaitable d'éviter le contact entre les
ailettes et le tube de calandre, principalement en raison de
•) Contraintes tangentielles dans le tube-guide de 2,5 mm d'épaisseur: 5,06 kg/mm2 à J01°C (entrée du canal) et J,74 kg/mm2 à )60°C (sortie du canal).
••) Ces contraintes peuvent être réduites au moyen de fe,ntes coupées dans les ailettes. L'effet de ces fentes sur 1 1extractio~ de l'hydrogène est négligeable.
-1.3-
la fragilité des ailettes en état hydruré. Il faut
donc prévoir un certain jeu entre les sommets des
ailettes et le tube de calandre, tenant compte de
diverses tolérances de fabrication et de montage.
D'autre part, l'extraction d'hydrogène est d'autant
plus efficace que le rapport hauteur d'ailettè/épaisseur
de l'espace isolaht est élévé. Une hauteur d'ailette
égale à la moitié de l'épaisseur de l'espace isolant
paraît être un bon compromis.
Le volume total des ailettes doit être faible
en raison de l'absorption neutronique, mais suffisant
pour emmagasiner l'hydrogène absorbé. Il est opportun
de surdimensionner le volume afin d'avoir une sécurité
contre les incertitudes des hypothèses de calcul. Moyennant
un calcul simplifié on a choisi une section totale d'ailettes 2 de o,6 cm.
Il reste à déterminer le nombre, la longueur et
l'épaisseur des ailettes. Des ailettes longues et minces
donnent une température faible .en bout d'ailette, ce qui est
favorable pour l'extraction de l'hydrogène. Cet effet est
contrarié par 11 1 'effet d'écoulement'' qui, à concentration
d'hydrogène en aval (bout d'ailette) donnéeJaugmente la con
centration en amont (tube-guide), analogue à une perte de
charge hydraulique. L'extraction d'hydrogène la plus
efficace serait obtenue avec des ailettes très nombreuses,
très minces et perpendiculaires à la surface du tube-guide.
Le nombre d'ailettes doit cependant être faible en raison
du coût de fabrication.
En respectant les caractéristiques déjà fixées
ci-dessus - en particulier hauteur et section totale des
ailettes - on a étudié l'influence de la longueur et de
-14-
l'épaisseur des ailettes sur l'extraction de l'hydro•
gène, pour 2 et 4 paires d'ailettes. Les résultats,
qui sont donnés dans le tableau 3 ont permis de choisir
un système à 4 paires d'ailettes de 25 mm de longueur
et de 0,3 mm d'épaisseur.
La figure 7 montre le système d'ailettes retenu.
5.3. Performances du système retenu et comparaison avec le
tube-guide non-protégé
La figure 8 donne les dimensions du domaine de
calcul schématisé, la figure 9 donne la répartition de
température et la figure 10 donne la répartition de la con
centration d'hydrogène et de la limite de solubilité.
Les résultats précédents sont relatifs à la sor
tie du canalt où la température, et en conséquence le taux
d'hydrogénation,sont les plus élevés. L'échauffement t, ayant un effet néfaste sur l'efficacité des puits d'hydro-
gène, est par contre maximum au milieu du canal. On
a donc effectué des calculs pour différentes cotes axiales.
Les résultats figurent dans le tableau 4. On peut en
déduire, qu'à la fin du fonctionnement du canalla concen
tration maximale d'hydrogène existe à la sortie du canal.
Le tableau 5 donne les sections du tube-guide, les
caractéristiques d'hydrogénation et les pertes thermiques pour
les canaux sans et avec puits d'hydrogène.
-15-
6. PROPAGATION DE L'HYDROGENE ABSORBE AUX JONCTIONS
6.1. Dérivation des formules
Hyphotèses:
un flux constant d'hydrogène (I) entre dans le 0
tube-guide par une surface perpendiculaire à
l'axe du tube (cote x = 0)
la température est uniforme. En ettet, comme
on verra ensuite, l'hydrogène reste pratiquement
confiné dans la partie du tube-guide qui est hors
du coeur du réacteur et où la température est
uniforme
la concentration d'hydrogène ne depasse pas la limite
de solubilité (N = N). s
Le problème se formule alors ainsi (voir section 2) l
';) N
'ù t = D
avec les conditions particulières:
N :::1 0
N ~ 0
- D ~ N
ë) X
pour
pour
= I 0
t = 0
pour x = 0
-16-
La solution est*) :
N ~~ [ 2 2 ) I - - {exp - ...!..... -0
D ffl 4Dt .
_x )~ 2 fDt IJ =
X - (erfc
Cette solution est représentée en paramètres sans dimen
sions dans la figure 11.
Pour la concentration maximale (au plan limite
x = 0) on obtient:
Notons que la concentration maximale croît avec
la racine du temps.
6.2. Résultats
Des courbes N / I en fonction de la distance x, ' O 1-00°c **) iffé t pour une temperature de ~ et pour d ren s
temps de fonctionnement, sont données dans la figure 12.
Pour des températures plus faibles la propagation de l'hy-
drogène e~t plus lente. Pour convertir les données de
la figure 12 à J60°C, il faut multiplier N /I et diviser 0
x par 1,22.
*) Pour mémoire la définition d'erfc ("error function compl ement") : oo
erfc y = J (exp - 7t2) d1 y
**) La constante de diffusion a été calculée à partir de la rélation donnée dans la section J.2.
z.
-17-
On constate un pic accentué de concentration
dans le plan de la liaison alliage de zirconium/acier
(plan limite x = O). et une propagation très lente de
l'hydrogène le long du tube. Lorsque ce pic atteint
la limite de solubilité, il faut craindre la formation
d'une zone mono-phase d'hydrure*), ce qui n'est cer-
tainement pas tolérable à cet endroit. Notons qu'il
est envisagé de réduire le débit d'hydrogène traversant
la jonction par recouvrement de la surface d'acier avec
une couche d 1A1Si et que la protection par des puits
d'hydrogène serait également possible.
CONCLUSIONS
Dans les conditions de la filière ORGEL ••) les
puits d'hydrogène convenablement conçus sont capables de
maintenir la concentration d'hydrogène dans un tube-guide
en alliage de zirconium sensiblement au-dessous de la li-
mite de solubilité. Ainsi ils préviennent la fragili-
sation du métal par la formation d'hydrure de zirconium.
En particulier, les puits d'hydrogène permettent l'emploi
d'un alliage bien connu - le Zr 2 15 Nb - jusqu'aux tempé
ratures limites intrinsèques au concept ORGEL, sans rem
placement du tube-guide durant la vie du réacteur et avec
une épaisseur du tube non supérieure à la valeur demandée
*) La condition limite au plan x = 0 n'est alors plus ô N/ tJ x = I , mais N = S. Il en résulte que le débit d 1hydrogène0 sortant du plan limite vers le tube-guide décroît. Le débit entrant par le plan limite du coté acier restant constant, l'interface jouerait un rôle de puits d'hydrogène.
**) Les résultats de l'étude présente permettent de penser que les puits d'hydrogène seraient également applicables à d'autres conditions, par exemple celles des réacteurs refroidis par la vapeur d'eau.
-18-
par des raisons autres que l'hydruration. Le
volume d'ailettes nécessaire est faible et les pertes
thermiques vers le modérateur ne sont en général que
peu augmentées ou, dans certains cas, même diminuées.
Pour le Prototype ORGEL on propose un tube-guide
de 2,5 mm épaisseur,muni de~ paires d'ailettes suivant
des génératrices du tube•) (voir figure 7). Les 2
ailettes ne présentent qu'une section totale de o,6 cm.
La concentration d'hydrogène dans le tube-guide atteint ••)
80 ppm après J~ ans , à comparer à la limite de so -
lubilité de 1J~ ppm.
Rappelons que pour le tube-guide sans puits
d'hydrogène, qui est prévu dans l'avant-projet du Proto
type, en raison de l'hydruration on a adopté une épaisseur
de J,5 mm et envisagé le remplacement après environ 10
ans de fonctionnement. En effet, la limite de solu-
bilité est atteinte après 10 1 2 ans.
•) On s'est limité à~ paires d'ailettes, en raison du coût de fabrication. Rappelons que le coût de fabrication a été avancé comme raison principale, pour ne pas adopter les puits d'hydrogène dans l'avant--projet du Prototype ORGEL. Une extraction sensi-blement plus efficace serait obtenue avec des ailettes plus nombreuses, plus minces et plus courtes, à volume total d'ailettes invarié. Nous croyons que ces ca -ractéristiques pourraient être réalisées de façon économique avec une bande enroulée en hélice, si une méthode idoine de fabrication était mise au point.
••) C'est lorsque la moitié d'ailette est transformée en hydrure.
-19-
Par comparaison avec cette solution, celle
qui fait appel aux puits d'hydrogène offre les avan
tages suivants:
section du tube-guide, y compris les ailettes, 2
de J cm plus faible ;
pas de remplacement des tubes-guides ;
risque réduit de fragilisation lors de baisses
de température, car concentration d'hydrogène
plus faible.
L'hydrogène entrant aux extrémités du tube-guide,
en traversant les jonctions métallurgiques, donne lieu
à un pic accentué de concentration d'hydrogène dans le
plan de la liaison et ne se propage que très lentement
le long du tube. Des résultats expérimentaux de débit
d'hydrogène absorbé sont nécessaires pour apprécier défi
nitivement l'importance du phénomène.
-20-
REFERENCES
( 1} Demande de brevet canadien n° 946919 du 3.12.1965.
( 2) B.J.S. WILKINS et A. SAWATZKY II Thermal Diffusion of Hydrogen in Finned Zircaloy-2 Pressure Tubes" AECL - 26J4, Octobre 1966.
( J) J.F. WALKER "The Behaviour of Zircaloy-2 and Zr-2 9 5% Nb Clad Uranium Dioxyde Fuel in an Organic Coolant. The X-719 Irradiation". AECL-2661, novembre 1966.
( 4) A. SAWATZKY "The Diffusion and Solubility of Hydrogen in the Alpha-Phase of Zircaloy-2 11 J. Nucl. Mat. 2 (1960), p. 62.
( 5) A. SAWATZKY "Hydrogen in Zircaloy-2: Its Distribution and Heat of Transport". J. Nucl. Mat. 2 (1960), p. J21.
( 6) M.F. JAMET "Code Difhyd. Méthode pour le calcul de la diffusion d 1hydrogèue dans un tube-guide à ailettes en alliage de zirconium". Rapport EUR à paraître.
( 7) B.J. SEDDON "Zirconium Data Manual 11 • TRG Report 108(R), 1962.
( 8) R.A. SVEHLA 11Estimated Viscosities and Thermal Conductivities of Gases at High Temperatures 11 • NASA-TRR-132, 1962.
( 9) J. FAURE' et E. LABARRE "Isolement thermique d'un canal ORGEL par une lame de gaz stagnant". EUR-2175. f, 1964.
(10) J. BOULTON "The Use of Zirconium Alloys in Organic Coolants". AECL - 2619, septembre 1966.
( 11) J. BOUL'I'ON 11 Some Aspects of Materials in Organic Cooled Reactors (A Summary of Canadian Experiencef'• AECL - 2640, Mai 1966.
(12) J.J. KEARNS "Terminal Solubility and Partitioning of Hydrogen in the Alpha Phase of Zirconium, Zircaloy-2 and Zircaloy-4 11 • J. Nucl. Mat. 22 (1967), p. 292
-21-
(1J) A. SAllATZKY and B.J. WILKINS 11Hydrogen Solubility in Zirconium Alloys Determined by Thermal Diffusion" J. Nue!. Mat. 22 (1967), p. J04.
(14) G.F. SLATTERY "The Terminal Solubility of Hydrogen in Zirconium Alloys between JO and 400°C 11 • J. Inst. Met., Vol. 95 (1967), p. 4J.
-22-
TABLEAU 1 a Etude paramétrique des puits d'hydrogène -
Valeurs numériques utilisées
Caractéristiques Symbole Unité Valeur •)
Diamètre interne du tube-guide - mm ..!Q2
Epaisseur du tube-guide - mm hl
Epaisseur du tube de calandre - mm hl
Epaisseur du gaz isolant Eg mm 4: - 6 - 8 -Hauteur d'ailette/épaisseur de gaz H - 1/4: - .!Œ - JI 4:
Longueur d'ailette L mm 5 - 12. - 25
Epaisseur d'ailette E mm 0,25 - .212. - 1
Nombre de paires d'ailettes N - J - 4: - 6 -Largeur de la soudure LS mm 0,5 - 1 - 2 -Longueur non soudée/soudée LSS mm/mm 0 - 2/1 - 4,/1 -Température d'organique T oc JOO - J4:0 - J80
Température d'eau lourde - oc 80 -Nature du gaz isolant - - co2 - N
2 **)
Taux d'hydrogénation - ppmcm/s A - 2A
Echauffement w W/cmJ 0 - 4: - 8 -
•) Lors de l'étude d'un paramètre, les valeurs soulignées sont utilisées pour les autres caractéristiques.
••) A= taux d'hydrogénation obtenu avec la relation donnée dans le paragraphe J.2.
- 1
-23-
TABLEAU 2 : Canal du Prototype ORGEL - Caractéristiques
de design et de fonctionnement
Tube de force
matériau:
diamètre interne:
épaisseur:
Tube de calandre
matériau:
diamètre interne :
épaisseur:
Réfrigérant
nature
température d'entrée
température de sortie, max.
pression d'entrée
pression de sortie
Gaz isolant
nature
pression
Modérateur
nature
température
Zr-2,5% Nb
110 mm
J,5 mm
Zr-2
127 mm
2 mm
HB 40
J01°C
J60°C 2
24 kg/cm 2
18 kg/cm
co2 2
1 kg/cm
-24-
TABLEAU J : Canal Prototype ORGEL à puits d'hydrogène -
Influence de la longueur et de l'épaisseur
des ailettes.
Conditions de calcul:
sortie du canal (température d'organiques J60°C;
échauffement : 2,58 W/cm 3)
hauteur d'ailettes: J mm 2
section totale d'ailettes 1 60 mm
Nombre de paires d'ailettes
2 4
longueur des ailettes mm 25 JO J5 20 25
épaisseur des ailettes mm o,6 0,5 o,428 O,J75 O,J
température bout d'ailette °C 319,9 JlO,J J00,4 311,6 299,2
concentration *)
ppm 9J, 1 91,8 94,1 68,8 64,9
durée ••)
an 5,1 5,0 5,1 J,8
•) concentration maximum d'hydrogène dans le tube-guide
lorsque la limite de solubilité est atteinte au bout
d'ailette.
••) durée de fonctionnement pour atteindre la limite de
solubilité au bout d'ailette.
J,6
JO
0,25
286,1
64,9
J,6
-25-
TABLEAU 4 : Canal Prototype ORGEL à puits d'hydrogène -
Variation des performances le long du canal
Configuration d'ailettes: voir figure 7
Distance à partir de l'entrée du canal/ longueur du canal
Température d'organique oc
Echauffement W/cm,J
1/2 J/4
JJO
1
J60
Température au bout d'ailette
Concentration max. d'hydrogène dans le tube-guide lorsque la limite de solubilité est atteinte au bout d'ailette
~C 287,0 301,2 299,2
ppm
Durée de fonctionnement pour atteindre la limite de solubilité au bout d'ailette
Limite de solubilité dans le tubeguide
an
ppm
53,J 65,6 64,9
96,9 117,1 1J2,2
-26-
TABLEAU 5 : Comparaison des canaux Prototype ORGEL
sans et avec puits d'hydrogène
Canal sans puits Canal avec puits
tube-guide -tube-guide
( 110 X 117 mmf2$) : 12,1*8cm 2
(110 X 115 mmf2$): 8,81*cm Section
de Zr Nb -ailettes: 0,60cm
-total t 9,1*1*cm
taux: 1J,1 ppm/an; la concentration atteint
Hydrogénation la limite de solubilité 79,6 ppm après .l'.3 , 8 ans
(sortie canal) (131* ppm) est atteinte (lorsque la moitié d 1 ai-
après 10,2 ans lette est transformée en
hydrure)
Pertes
thermiques 15,J W/cm 1J,9 W/cm
(sortie canal) (W par cm longueur de canal)
Point chaud
tube de 86, 8 °C 86,9 °C
calandre
2
2
2
- 27 -
FABRICATION SUISSE
- 28 -
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FABR!CATION SUISS!
- 33 -
110
127
Figure 7
Canal Prototype à puits d' hydrogène.
Section du canal
tube de calandre
ailette
gaz isolant
tube-guide
03
q6
longueur de soudure :O,~
Unité: mm
47.3
6
ailette ( Zr Nb)
modérateur
gaz isolant
(C02)
refrigérant ( HB40) 1mmL
2mm
Figure 8 Canal Prototype ORGEL à puits d'hydrogène { domaine de calcul schématisé) Dimensions
w .i::,..
86,5
132,5
214,8
26~2 · 286,1
307,8 328,4 348.0 357,7
35~9
359,6
35~9 .
• 86,S
~ •132,6
• • 21~2
• •263,8 ~ •287,0
• • 309,0
• • 330,1 . ~ ~~.
• • 360,0
• • 360,1
• •36Q2
Unité : ° C
•86,6 •86,8
•1338 •135,6 '
• 218,3 • 223,0
•2680 •2742
•291,7 •298.(
• 314,2 ~ ~
~ e337,.4 .35z2 •3528
•36Q3 •360,4
• 360,4 •36Q4
•360,3 •3604 '
80 ou
• 8~9 •869 86,8 • 86 5 • 66,4 ' I
• 138,4 •142,2 138,9 • 130,9 • 130,2
• 230,3 •2'1,0 23~0 • 210,7 •209,03
•2836 ~ 2995 •2525 •2511
~ 998 • 269,9 • 268}
~8 • 313,6 • 2915 • 290,5
• 324,1 • 327,2 • 312,1 • 311,.4 ··338,9 • 340,7 • 331,9 • 331,4 •353,3 • 353,9 .• 350,9 • 350,7
•360,5 • 360,S • 360,3 • 360,3
• 360,5 • 360,5 • 3604 '
• 360,3
•3604 •360,4 • 360,3 • 360,3 I
360
1mL 2tnm
Figure 9 Canal Prototype ORGEL à puits d'hydrogène ( domaine de calcul schématisé)
Répartition des températures
1
. w \FI
0,2 / 11~ /no,7
63,2/ ~l / 132,3
&"J/J / 1~1 / Ul.)
H,O / 77,& / lll,I
&s,1/1aooo/6s,1
• 78.9/134,6 U6/ 79;J/ 13A,4 U,9/79) / 1'34,4
111 u.t,u, ,,,u, .~..,, 1 u.,,..,, ,,~, ···~1 "-l't '•,.it ,.ai~u I u~;,,,.,u, .... PI u•1:t' ".''~1 .... ...,, 1 vi,u1 ,~,•1 •.1~e I u•,"'1 '~,~1 •••,.1
&l,0/'/7.6/134.2 • 78.9/134,5 64.&/79) [ 130
Légende A/8/C
A= concentration d'hydrogène lorsque la limite de solubilité est atteinte en bout d'ailette (361 ans) B = concentration d'hydrogène lorsque la moitié d'ailette est transformée en hydrure ( 33,8 ans) L C = limite de solubilité. 1 mtn
· • 2mm Umte : ppm
Figure 10 Canal Prototype ORGEL à puits d'hydrogène ( domaine de calcul schématisé)
Répartition de concentration d'hydrogène et de limite de solubilité.
1
w a,
- 3 7 -
1-ntrrrt-ttttt-tttttttttttt1rt(tt liiilttti/ltt1
r t-ttttt1Htt1,/t+tl HH t!U 1 ' 1 inn llll ltt 11 Î 1 11
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- 38 -
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·I '\ti : t 1. :i) n: Jt hi+ :1 ; 1 1 ,1 ·J·+'" ,,., ±. tll 1,4-1u+ pt , :;t aj+, . , +H , , , 1 t 1111 t r.·11/ l'IL)'J, 'ftJ t·:: :rd f]J1 ; i: :1 m#:1: lltt :1·1, !!!! tlll ti1· .11 i.1.11 ;r: :11: H1·t~ 1 ,;t ·ftrt l i' ,1 rnrJt r r1
, ru 1:1rm ,111~1 i w1 li, ) 1 :i/1 /f: :.,!i 1n11nrm 1ï .,11 m ·1i1 1H · 1 '™ n11 t .1 L · 1 111r )/i !Hl i/il jH! llîl iill '!i ·./ilit/ i!i, il!: (ln" ·~11.1 l 1 r tttt/lH :11{ !t:l dl n w li!' ! iV ' '11!' j 1 1 ,tt '"! 1tt t/ ,t., *tll lr e1H1 1 1rn +l ' ' +1' •I Î" ~ 11 ! tH 'l' T l'i J li I+ i· t, T' 1 '1 1 il" ; " ·1' :: ' ' l 1 1 1 1 t ' t Il :i- 1 1 Jli 1 ' ' ,' T ' )t I t t t t lt it 11 illi +• 1 { 11 tH 'l 1,• jl H fî + .-f :f
1 l H! , 11 1 { 1 · • J I i I If! t i I î t 11 t1 t • W±!f ! tr , gt l+++H+t+H;+ftl'I' tf tl 1·1 1 tl' ~fi, j t l '1 1 'J ·+ t. l', '
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