Pompage des métaux liquides

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique B 4 330 − 1
B 4 330 8 - 1984
Pompage des métaux liquides
par Jean-Paul LE FRÈRE
Ingénieur de l'École Nationale Supérieure d'Électricité et de Mécanique de Nancy
Chef du Service Matériel Sodium à la Société Novatome
es machines utilisées pour pomper des métaux liquides dépendent à la fois
du métal liquide pompé et du type d’application concerné.
La nature du métal pompé intervient, d’une part, par l’intermédiaire de la
température de fusion du métal qui constitue, bien entendu, la valeur minimale
à laquelle on peut faire circuler ce métal à l’état liquide ; il est intuitif que la
technologie ne pourra être la même pour pomper du mercure à la température
ambiante, et pour pomper de l’aluminium liquide.
D’autre part, la plupart des métaux liquides étant très corrosifs, les matériaux
qui vont pouvoir être utilisés pour la construction des pompes diffèrent d’un
métal liquide à l’autre.
En ce qui concerne le type d'application, il faut distinguer les métaux qui sont
véritablement utilisés à l’état liquide (le sodium, par exemple, en énergie
nucléaire), et ceux qui ne sont à l’état liquide que pendant une phase transitoire
d’un processus d’élaboration ou de fabrication.
1. Quels métaux ? Pour quels usages ?........................................... B 4 330 - 2
1.1 Le sodium dans le domaine nucléaire................................................ — 2
1.2 Les métaux alcalins en dehors du domaine des surgénérateurs..... — 2
1.3 Les métaux non alcalins....................................................................... — 3
2. Types de matériels en fonction de leur usage.......................... — 3
2.1 Pompage du sodium dans les surgénérateurs
et les installations expérimentales associées .................................... — 3
2.2 Pompage des métaux alcalins en dehors du domaine
des réacteurs surgénérateurs.............................................................. — 3
2.3 Pompage des métaux non alcalins ..................................................... — 3
3. Pompes électromagnétiques. Généralités ................................. — 4
3.1 Principe général.................................................................................... — 4
3.2 Différents types de pompes................................................................. — 4
3.2.1 Pompes à conduction.................................................................. — 4
3.2.2 Pompes à induction..................................................................... — 6
3.3 Caractères généraux............................................................................. — 7
4. Pompage du sodium dans le domaine nucléaire ..................... — 9
4.1 Pompes mécaniques ............................................................................ — 9
4.1.1 Caractéristiques des pompes mécaniques pour circuits
de réacteurs à sodium................................................................. — 9
4.1.2 Exemple de réalisation : pompe primaire du réacteur
Superphénix................................................................................. — 10
4.2 Pompes électromagnétiques............................................................... — 12
4.2.1 Domaine d’emploi ....................................................................... — 12
4.2.2 Exemple de réalisation : pompe des circuits de secours
du réacteur Superphénix ............................................................ — 12
5. Pompage de l'aluminium et de ses alliages .............................. — 15
Pour en savoir plus.................................................................................... Doc. B 4 330
L

POMPAGE DES MÉTAUX LIQUIDES ________________________________________________________________________________________________________
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
B 4 330 − 2© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique
Enfin, il faut observer que pour certains métaux et pour certaines applications
les pompes sont arrivées à un stade de maturité industrielle (pour le sodium
en énergie nucléaire), alors que pour d’autres métaux et d’autres applications,
des pompes de types divers équipent des installations pilotes sans qu’aucun
type de matériel n’ait encore réussi à s’imposer.
On commencera donc par examiner où l’on rencontre des métaux liquides
dans l’industrie, et quels sont dans chaque cas les besoins de pompage.
1. Quels métaux ? Pour quels
usages ?
1.1 Le sodium dans le domaine nucléaire
Le sodium s’est imposé comme fluide de refroidissement des
surgénérateurs en raison de son excellente conductivité thermique
(de l’ordre de 70 W/m · oC), de son point de fusion relativement bas
(98 oC), de sa température d’ébullition suffisamment élevée (882 oC
à la pression atmosphérique normale) pour ne pas nécessiter de
pressurisation et de ses propriétés neutroniques (faible absorption
des neutrons et effet ralentisseur réduit). C’est un bon conducteur
de la chaleur et de l’électricité, il est un peu moins dense que l’eau
et sa viscosité dynamique est inférieure à celle de l’eau à 20 oC.
En énergie nucléaire, le sodium est utilisé entre son point de
fusion et 600 oC (650 oC au voisinage du combustible des
réacteurs).
On trouvera dans l’article Réacteurs à neutrons rapides refroidis
au sodium [B 3 170], dans le traité Génie nucléaire, la description
de ces réacteurs et l’utilisation qui y est faite du sodium.
Rappelons seulement que le sodium y est utilisé comme
caloporteur selon le schéma de la figure 1, pour transférer vers un
circuit eau/vapeur alimentant la turbine la puissance thermique
générée dans le cœur du réacteur par le combustible nucléaire.
Les réacteurs comportent un circuit primaire qui extrait la chaleur
du cœur et la transmet à un circuit intermédiaire grâce à un
échangeur sodium/sodium, lequel circuit intermédiaire la transmet
à son tour à un circuit eau/vapeur, grâce à un échangeur sodium/eau
appelé générateur de vapeur car l’eau se vaporise à l’intérieur.
Outre les circuits principaux qui remplissent la fonction de
transfert de l’énergie thermique indiquée ci-avant, les surgénéra-
teurs comportent un certain nombre de circuits auxiliaires : circuits
de purification du sodium, circuits de refroidissement de secours,
etc.
Dans tous les cas, le sodium circule en circuit fermé et sa tem-
pérature reste dans la plage de 150 à 600 oC, sauf au voisinage du
combustible où elle peut atteindre 650 oC.
Par ailleurs, le développement des surgénérateurs a fait naître,
dans les centres d’études nucléaires et dans les centres d’essais, un
grand nombre d’installations expérimentales comportant des
boucles sodium pour des études de corrosion de matériaux, des
essais de prototypes, des études d’échanges thermiques, etc.
Tous les circuits (circuits de réacteurs et circuits expérimentaux)
sont étanches vis-à-vis de l’atmosphère extérieure et présentent très
généralement, en partie haute, une capacité permettant la variation
de volume du sodium en fonction de la température, capacité dans
laquelle on trouve au-dessus du sodium un gaz neutre de
couverture (le plus souvent de l’argon). La pression de ce gaz de
couverture est voisine de la pression atmosphérique ou de l’ordre
de quelques bars.
Chacun de ces circuits nécessite une pompe qui doit assurer le
débit requis dans le circuit ; la pression différentielle créée par la
pompe sert à compenser les pertes de charge puisque l’on est en
circuit fermé.
Nota : dans cet article, nous avons utilisé le terme couramment employé de surgénéra-
teur bien que le terme officiel soit surrégénérateur.
1.2 Les métaux alcalins
en dehors du domaine
des surgénérateurs
Rappelons que le sodium Na se mélange en toutes proportions
avec le potassium K et que l’on appelle NaK un tel mélange. Le
mélange à 63 % de potassium correspond à l’eutectique ; la
température de solidification de l’eutectique est de – 15 oC. Donc les
mélanges dont la composition est voisine de l’eutectique sont
liquides à la température ambiante.
En dehors du domaine des réacteurs surgénérateurs, les métaux
alcalins que l’on peut être amené à pomper sont surtout le sodium,
le mélange NaK et le lithium.
Le sodium et le mélange NaK ont, en particulier, été utilisés dans
des applications spatiales, particulièrement aux États-Unis.
Le lithium et le mélange lithium-plomb sont les deux fluides
candidats à la production du tritium dans les couvertures des
réacteurs à fusion ; des centres de recherches travaillant dans ce
domaine sont donc amenés à faire des recherches sur les propriétés
et la technologie du lithium, et en conséquence réalisent des
installations expérimentales utilisant des pompes à lithium.
Figure 1 – Réacteur surgénérateur refroidi au sodium :
principe du transfert à l’eau de l’énergie thermique
produite par le combustible nucléaire

________________________________________________________________________________________________________ POMPAGE DES MÉTAUX LIQUIDES
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique B 4 330 − 3
1.3 Les métaux non alcalins
Le mercure a divers usages ; il a besoin, par exemple, d’être
pompé dans les installations de production de chlore et de soude
par électrolyse d’une solution de chlorure de sodium ; le sodium
formé à la cathode de l’électrolyseur est entraîné par un courant de
mercure avec lequel il fait un amalgame ; après dissociation de cet
amalgame par réaction chimique, le mercure est renvoyé à
l’électrolyseur : il y a donc dans cet exemple une circulation de
mercure qui nécessite une pompe.
Par contre, la plupart des métaux courants n’ont pas d’utilisation
à l’état liquide ; cependant, d’une part, ils passent en général par
l’état liquide lors de leur élaboration et, d’autre part, ils se
retrouvent à l’état liquide lorsqu’ils servent à la fabrication de pièces
par fonderie. On va donc trouver des circulations de métal liquide
en métallurgie et en fonderie.
Comme il faut transporter le métal d’un point à un autre, il s’agit
donc en général de circulation en circuit ouvert (au contraire de ce
que nous avons vu pour le sodium utilisé comme caloporteur).
2. Types de matériels
en fonction de leur usage
2.1 Pompage du sodium dans les
surgénérateurs et les installations
expérimentales associées
Deux grandes catégories de pompes coexistent depuis les
débuts du développement des surgénérateurs au début des années
cinquante :
— des pompes mécaniques ;
— des pompes électromagnétiques.
En 1984, pratiquement toutes les pompes mécaniques à sodium
sont des pompes centrifuges placées dans des réservoirs à niveau
libre, l’arbre traversant le gaz de couverture et des garnitures méca-
niques assurant l’étanchéité entre ce gaz et l’atmosphère. C’est ce
seul type de matériel qui s’est maintenant imposé en ce qui
concerne les pompes mécaniques que nous examinerons au
paragraphe 4.1.
Les lecteurs qui souhaiteraient avoir une vue d’ensemble des
autres types de matériels réalisés antérieurement pourront se
reporter aux ouvrages cités dans la fiche documentaire
[Doc. B 4 330] aux références [1] [2].
Les pompes électromagnétiques utilisent la force de Laplace à
laquelle est soumis un conducteur parcouru par un courant et placé
dans un champ magnétique (§ 3). Elles se sont généralisées comme
pompes des circuits auxiliaires des réacteurs et comme pompes des
installations expérimentales grâce à leur souplesse d’exploitation.
Par contre, bien que des pompes électromagnétiques de fort
débit aient été construites dès les débuts de l’énergie nucléaire, les
pompes principales sont, généralement, des pompes mécaniques.
En ce qui concerne la quantité de pompes qui sont construites,
il faut se rappeler que jusqu’alors les pays qui se sont engagés dans
la construction de réacteurs à neutrons rapides n’en ont lancé qu’un
seul à la fois et ont attendu qu’il fonctionne pour entreprendre la
réalisation d’un autre (sauf en URSS où il y a eu un certain chevau-
chement des réalisations) ; il faut se rappeler aussi que la
construction d’un réacteur à neutrons rapides de forte puissance
en 1984 demande au moins 7 ans.
Les pompes mécaniques servant presque exclusivement de
pompes principales, et le nombre de celles-ci par réacteur étant de
6 à 8, le nombre de pompes mécaniques à sodium qui sont
construites dans chaque grand pays industrialisé est donc faible,
mais par contre la puissance hydraulique de ces pompes est
souvent importante (§ 4.1.2).
Le nombre de pompes électromagnétiques qui sont construites,
quoique restant modeste, est nettement plus important que celui
des pompes mécaniques parce que le nombre de pompes
auxiliaires d’un réacteur à neutrons rapides est généralement plus
grand que celui des pompes principales (42 sur Superphénix) et
parce qu’il se construit des pompes électromagnétiques pour des
installations expérimentales. Par contre, leur puissance hydraulique
est beaucoup plus faible que celle des pompes principales.
2.2 Pompage des métaux alcalins
en dehors du domaine des réacteurs
surgénérateurs
Il a été vu au paragraphe 1.2 que les besoins de pompage des
métaux alcalins en dehors du domaine des réacteurs surgénéra-
teurs sont très réduits. Lorsqu’ils se présentent, on utilise les
mêmes types de matériels que pour le sodium dans le domaine
nucléaire.
2.3 Pompage des métaux non alcalins
Le pompage du mercure n’a pas fait se développer de matériels
particuliers ; en effet, le mercure est liquide à la température
ambiante, il ne nécessite pas d’être maintenu dans une enceinte
étanche à l’air, les pièces des pompes peuvent être en acier
ordinaire.
Pour les métaux courants, divers systèmes ont été proposés
pour effectuer par pompage la circulation du métal liquide en
métallurgie et en fonderie. Toutefois, le problème est difficile pour
les raisons suivantes :
— la température des liquides à pomper est élevée ;
— ces métaux sont très agressifs à l'état liquide, et les pièces
des pompes ne peuvent pas, en général, être métalliques ; elles
doivent être constituées de matériaux réfractaires (à base
d'alumine, par exemple) ;
— la circulation du métal liquide est discontinue, ce qui provoque
des chocs thermiques très importants sur les pièces des pompes à
chaque mise en marche et à chaque arrêt ;
— une partie des applications consistent à extraire le métal
liquide d’une capacité et nécessitent l’introduction de la pompe
dans la capacité.
Une grande partie des systèmes qui ont vu le jour utilisent le
phénomène d’induction pour générer, à l’aide d’un inducteur
maintenu à l’abri du contact du métal liquide, des forces de Laplace
qui entraînent le fluide.
Comme on a vu que la pompe devait souvent être immergée dans
des fours, des constructeurs proposent des matériels qui
remplissent à la fois la fonction four et la fonction pompe ; par
exemple, l’induction électromagnétique peut être utilisée pour
générer de l’énergie thermique par effet Joule dans le métal et pour
créer des forces de pompage.
Dans d’autres systèmes, le métal est propulsé par les forces
électromagnétiques le long de goulottes à faible pente ascendante.
Un exemple, le système Eldomet, en est donné dans l’article
Fonderie et moulage des alliages d’aluminium [M 810] du traité
Matériaux métalliques.
Le métal liquide qui a donné le jour au plus grand nombre de
systèmes de pompage est l’aluminium. Toutefois, jusqu’à
maintenant, aucun d’entre eux n’a encore réussi à s’imposer.

POMPAGE DES MÉTAUX LIQUIDES ________________________________________________________________________________________________________
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
B 4 330 − 4© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique
Les tentatives pour l’acier ont été moins nombreuses (le
problème étant encore plus difficile) et ont surtout concerné des
systèmes du type goulottes à inducteurs électromagnétiques.
Les travaux de développement effectués sur le pompage du zinc
et du magnésium ont jusqu’alors été limités ; certains systèmes
sont toutefois utilisables à la fois pour l’aluminium et pour le zinc.
Un exemple de réalisation de pompe à aluminium est décrit au
paragraphe 5.
Le lecteur intéressé pourra trouver des informations sur les
autres systèmes de pompage dans la fiche documentaire
[Doc. B 4 330] aux références [21] [22] [23].
Bien qu’a priori le marché soit plus large que pour les pompes
à sodium en énergie nucléaire, la diversité des systèmes de
pompage proposés et le fait que leur emploi ne se soit pas
généralisé montrent que ces systèmes ne sont pas arrivés à
maturité.
3. Pompes
électromagnétiques.
Généralités
Le pompage des métaux liquides fait donc appel à des pompes
mécaniques et à des pompes électromagnétiques.
Les généralités sur les pompes mécaniques ne dépendent
évidemment pas du fluide pompé.
Les pompes électromagnétiques n’étant utilisées que pour le
pompage des métaux liquides, leur théorie, leur constitution
générale et leurs caractéristiques générales de fonctionnement
feront l’objet de ce paragraphe.
3.1 Principe général
Les pompes électromagnétiques utilisent la force de Laplace qui
s’exerce sur un conducteur, en l’occurrence le métal liquide,
parcouru par un courant électrique et placé dans un champ magné-
tique (figure 2).
Isolons par la pensée un élément de liquide parallélépipédique
dont les arêtes sont parallèles aux axes d’un trièdre de référence
(Ox, Oy, Oz ).
Plaçons cet élément dans un champ magnétique de
direction parallèle à Oz.
Si cet élément fluide est parcouru par un courant Iy de direction
parallèle à l’axe des y, il sera soumis à une force telle que :
étant orienté dans le sens du courant Iy. La force, perpendicu-
laire à la direction de I et de B, est donc dirigée suivant Ox.
Son intensité est égale à :
dF = Iy dy Bz
La pression dp correspondant à cette force est :
avec Jydensité de courant telle que :
Si en tous les points d’une section du canal de pompage par un
plan perpendiculaire à Ox, Jy et Bz restent constants, la pression
générée le long du canal entre les abscisses x1 et x2 sera :
La pression varie donc continûment le long du canal de
pompage.
3.2 Différents types de pompes
Les pompes électromagnétiques peuvent différer par la nature
du courant qui les alimente (continu ou alternatif), par la manière
dont est créé le champ magnétique (aimant ou électro-aimant) et
dont est produit le courant, enfin par leur architecture.
Elles se classent en deux grandes catégories : les pompes à
conduction et les pompes à induction.
Nous nous conformerons au vocabulaire habituel qui est le
suivant :
— on appelle pompes à conduction, les pompes pour lesquelles
le courant est amené dans le canal de pompage par des électrodes
(même dans le cas où ce courant est produit par un phénomène
d'induction) ;
— on appelle pompes à induction, les pompes pour lesquelles le
courant est généré à l’intérieur même du canal de pompage par
le champ magnétique variable dans le temps.
3.2.1 Pompes à conduction
Le métal liquide passe dans l’entrefer d’un circuit magnétique où
règne un champ perpendiculaire à la direction d’écoulement du
fluide.
Le courant est amené par des électrodes. Courant et champ
peuvent être soit continus, soit alternatifs monophasés.
3.2.1.1 Pompe à courant continu
Un aimant permanent ou un électro-aimant créent le champ
magnétique (figure 3).
Figure 2 – Principe général d’une pompe électromagnétique :
force exercée sur un élément de métal liquide A
Bz
dF
dFIydyB
z
∧⋅=
dy
dpdF
dS
----------dF
dydz
-----------------
Iy
dz
-------- BzJyBzdx== = =
Jy
Iy
dxdz
-----------------=
px1
x2
dpx1
x2
JyBzdx==

________________________________________________________________________________________________________ POMPAGE DES MÉTAUX LIQUIDES
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique B 4 330 − 5
Les électrodes sont raccordées à une source de courant continu
de forte intensité (des milliers d’ampères).
La résistance du canal étant faible (10–4
à 10–5 Ω), la tension
nécessaire aux bornes du canal reste faible (une fraction de volt).
Lorsque le champ magnétique est produit par un électro-aimant,
la bobine de l’électro-aimant et le canal de pompage sont souvent
connectés en série (figure 6) ; l’intensité du courant dans le canal
de pompage (et donc aussi dans les conducteurs de la bobine)
étant élevée, la bobine a un nombre de spires faible : bien souvent
deux spires, c’est-à-dire une autour de chaque pièce polaire.
Le courant très élevé qui traverse le canal de pompage crée un
champ magnétique de réaction qui produit un accroissement du
champ côté entrée du fluide et une diminution du champ côté
sortie (figure 4).
On peut compenser cet effet en prévoyant des formes de pièces
polaires telles que l’entrefer soit plus faible à la sortie qu’à l’entrée
du canal de pompage, mais on utilise, en général, une barre de
compensation en série avec le canal de pompage, et donc
parcourue par le même courant, mais de sens opposé (figures 5
et 6). Ainsi les champs magnétiques créés par le courant dans le
canal de pompage et par le courant dans la barre de compensation
s’annihilent. L’inconvénient de cette disposition est l’augmentation
de l’entrefer qui en résulte.
3.2.1.2 Pompe à courant alternatif monophasé
Nous venons de voir (§ 3.2.1.1), à l’occasion de la pompe à
courant continu, que l’intensité traversant le canal de pompage se
chiffrait en milliers d’ampères ; la pompe à courant continu
nécessite donc une source de courant capable de cette intensité.
Pour supprimer la nécessité de cette source, on peut réaliser une
pompe à courant et à champ alternatifs (figure 7). Le courant de
forte intensité traversant le canal de pompage est alors produit par
un transformateur. Le champ magnétique et ce courant doivent
bien sûr être de même fréquence et la force de pompage sera
maximale si champ magnétique et courant sont en phase.
Les constructeurs ont cherché à combiner la partie
transformateur et la partie génération du champ. Un exemple de
réalisation est présenté sur la figure 8.
L’enroulement secondaire du transformateur est constitué par
une seule spire qui se referme sur le conduit dans lequel circule le
métal liquide ; le champ magnétique, dans l’entrefer où est placé
le conduit, est la somme des flux de dispersion associés au bobi-
nage primaire et à la spire secondaire.
Figure 3 – Pompe à conduction à courant continu
Figure 4 – Entrefer de pompe à courant continu. Champ de réaction
Figure 5 – Entrefer de pompe à courant continu
avec barre de compensation
Figure 6 – Pompe à conduction à courant continu,
à excitation en série avec barre de compensation