GE1TORATΞUR JVHYDROGENE U ΪLΪSÄNT ^' L ¹ ENERGIE SOLAIRE

POUR DISSOCIER L'EAO

Domaine Technique j__,a prβsβnte invention a trait ä la production d ^" 'hydro- gene en utilisant 1'Energie solaire pour dissocier l'eau. Technique anterieure On a deja propose la dissociation directe de l'eau sur une paroi chauffee par le rayonnement solaire concentre et la recuperation de l'hydrogδne et de l'oxygene. ^•

L'itat de la technique ä cet egard peut etre illustre par : 1) L'article de E.A. Fletcher, intitule : "Hydrogen and Oxygen fro Water" et publiβ dans la revue "Science", Vol. 197, 9 Sept. 1977, pages 1050-1056.

2) Le brevet americain No 4.053.576 de E.A. Fletcher. . 3) Le brevet amέrica n No 4.019.868 de D.E. Sebacher. 4) L'article de T. Na amura intitule : "Hydrogen Pro¬ duction from Water utilizing Solar Heat at high Temperatu- res" et publii dans la revue "Solar Energy", Vol. 19, pages 467-475 par Pergamon Press en 197-7.

5) Le brevet beige No 845 009 de la C.G.E. L'article de E.A. Fletcher cite en premier lieu ci-dessus decrit -plus particuliärement ce qui suit :

- La concentration directe du rayonnement solaire sur une membrane poreuse ä diffusion moleculaire (en regime. de Knudsen) . - La dissociation de l'eau par passage ä travers la mem¬ brane ainsi chauffee directement par le rayonnement solaire concentre.

- La Separation partielle de l'hydrogene et de l'oxygene ^' par diffusion moleculaire selective dans cette membrane. - La compression des vapeurs enrichies respectivement en H_ et 0 ₂ , apräs leur refroidissement ä basse temperature, et la Separation de H„0 par _. condensation afin de recuperer H ₂ et 0« sous pression.

OMPI

A> WIPCI . _*

- Le prδchauffage de ^' ϊ'e ^' au ä dissocier, par δchange ther mique ä contre-courant avec les vapeurs enrichies en H~ et 0_ et surchauffδes par passage ä travers ladite membrane.

- L'utilisation d'une membrane poreuse refractaire forme de ThO,.

Expose de 1'invention

L'avantage prinσipal d'utiliser le rayonnement solaire concentri pour effectuer la dissociation directe de l'eau est qu'il pennet, en principe, d'atteindre des rendements thermodynamiques eleves ä haute temperature.

Cet avantage est toutefois limite par les matέriaux de construction räfractaires actuellement disponibles. En effet, on ne dispose pas ä present de materiaux refractaires qui seraient capables de resister a des temperatures tres elevees par exemple de 3000 K ou plus, ainsi qu'aux attaques chimi— ques et aux contraintes mecaniques ä des temperatures si ele¬ vees.

Par consequent, un probleme qu'il convient de risoudre en l'occurrence σonsiste- ä assurer autant que possible la compatibilite entre la collection thermique, la dissociation de l'eau, et la Separation des produits dissocies.

Ainsi, par exemple, il est possible de travailler ä 2500 K sous une pression reduite de 0,1 at , afin d'assurer un degre de dissociation acceptable de l'ordre de 20 %. Cela permet par ailleurs de di inuer conjointement les contrain¬ tes ther iques et mecaniques auxquelles les materiaux refrac¬ taires chauffes sont soumis.

Cependant, le flux massique d'un gaz diffusant ä travers une paroi- poreuse augmente en fonction de la difference de pression ä travers cette membrane, de sorte que le fonction- nement du generateur ä tres basse pression reduit le debit de gaz separe en consequence. II est toutefois possible de tenir compte de cette diminution lors de la Separation par diffusion moleculaire, comme on le verra plus loin. En outre, afin d'assurer un bon rendement de collection du rayonnement solaire concentre, de l'ordre de 80 % par

/^BURH

( _0MPI

exemple, la surface qui absorbe ce rayonnement concentrέ ne devrait pas reδmettre une quantitS excessive de 1'Energie absorbäe, ä savoir au plus 20 % pour un tel rendement de collection de 80 %. Toutefois, le flu du rayonnement rδemis par une paroi

_ chauffee ä 2500 K est de l'ordre de 200 W/cm . Par consä- quent, un rendement de collection de 80 % ne pourrait etre atteint que si le flux du rayonnement concentre incident

2 I etait igal ä 1000 W/cm , ce qui correspond ä une concen- tration de 10000 fois du rayonnement solaire.

Par consequent, si l'on admet que le conσentrateur so¬ laire intercepte le rayonnement solaire sur une surface de

2

50 m , et le concentre 10000 fois pour assurer un rendement de collection de 80 % comme il est indique ci-dessus, la sur- face illuminee par ce rayonnement concentre ne devrait pas exceder 50 cm . Cela impose donc evidemment une limite ä la surface collectrice qui pourrait etre chauffäe directement par le rayonnement solaire concentre, tout en assurant un bon rendement de collection du rayonnement incident» De plus, la surface collectrice chauffee devrait s'ap- procher autant que possible du comporte ent d'un corps noir, afin qu'elle puisse absorber le maximum du rayonnement con¬ centre incident, et assurer ainsi un bon rendement de col¬ lection. Quant au debit de Separation des gaz obtenus de la dissociation de l'eau, il diminue generalement lorsque la Separation s'effectue ä pression reduite, comme on l'a deja mentionne plus haut, ce qui n'est guere compatible avec l'exi- gence de surface -collectrice reduite mentionnee au sujet du rendement de collection.

La Separation des gaz par diffusion en regime de Knudsen ä travers une paroi poreuse presente cependant un avantage particulier ä cet egard, etant donne qu'elle offre la possi- bilite de compenser une di inution de la pression par une augmentation du diamδtre des pores servant ä la diffusion. Un debit massique eleve peut etre ainsi assure lors de la

säparation, e e lorsque celle-ci s'effectue ä träs basse pression.

En eff t, le dia έtre maximal des pores d'une ^' paroi poreuse servant ä la diffusion moleculaire sδlective varie en fonction du libre parcours oyen du gaz diffusant, et donc inversement ä la pression p.

Le debit de diffusion moleculaire en regi e de Knudsen le long d'uή tube s'exprime par la relation suivante :

dans laquelle :

- dn/dt est le debit de diffusion exprime en moles/sec;

- r est le rayon et L est la longueur du tube;

- Δ p est la difference de pression;

- M est le poids moleculaire du gaz diffusant; et, - R est la constante de gaz universelle.

Or, si l'on assimile une paroi uniformement poreuse ä une disposition reguliere de tubes juxtaposes dont le rayon r est egal au rayon moyen des pores et dont la longueur L correspond ä l'epaisseur de cette paroi, le debit de diffu- sion moleculaire ä travers cette paroi peut etre estime ap- proximativement par la relation suivante derivee de la rela¬ tion (1) ci-dessus :

8 r S £. p

dans laquelle :

- r est le rayon moyen des pores;

- S est l'aire de surface externe, L est l'epaisseur et £ est la porosite (volume vide/volume total) de la paroi poreuse. On admettra aintenant les conditions suivantes, ä ti- tre d'exemple :

- Ladite paroi poreuse präsente une epaisseur L de 3 mm,

des pores d'un diamätre moyen de 40 ώm (r = 20 m) et une porositä <£ de 20 %.

- Cette paroi est chauffäe ä une temperature T d'environ 2500°K. - La pression totale p du cδte de l'entree est de 0,1 " atm et la pression partielle de l'hydrogδne correspond alors ä 0,02 atm.

Dans ce cas, la relation (2) ci-dessus permet d'estimer le debit d'hydrogene diffusant en regime de Knudsen ä

2 dn/dt - environ 1 mole H_/m seσ.

On admettra en outre, ä titre d'exemple,- que le ginera- teur d'hydrogäne presente une puissance nominale de 50 kW, un rendement thermique global η de 40 %, un degre de disso¬ ciation de 20 %; ce generateur devrait produire L'hydrogene avec un debit de.0,1 mole H _^ /sec.

Cela voudrait dire que le generateur en question nδces- siterait, pour la Separation de l'hydrogene par diffusion moleculaire dans les conditions susmentionnees, une surface

2 S = 0,1 m . ^• „ Cependant, on a deja determine plus haut que le flux du rayonnement incident concentre I. necessaire ä assurer un bon rendement (ö0 %) de collection de l'energie solaire

2 etait d'environ 1 kW/cm . Cela veut dire que ledit genera¬ teur de 50 kW necessiterait une surface collectrice S de seulement 50 cm 2 comme cible pour intercepter le rayonnement incident concentre (10000 fois) , afin de pouvoir fonctionner dans les conditions susmentionnees.

Par consequent, une concentration directe du rayonne¬ ment solaire sur la surface de la paroi destinee ä la dis- sociation et la Separation, teile qu'on l'a deja proposee, semble incompatible avec un fonctionnement satisfaisant du generateur d'hydrogene. En effet, comme il ressort de ce qui precδde, la surface S de la paroi-poreuse necessaire pour effectuer la Separation par diffusion moleculaire sera generalement plusieurs fois plus grande que la surface col¬ lectrice S _r qui est necessaire pour Intercepter le

rayonnement solaire concentri avec un bon rendement de col¬ lection de l'energie solaire. Ainsi, le rapport S/S est ägal ä 20 : 1 dans les conditions susmentionnees.

Ces conditions pourraient par ailleurs constituer des conditions moyennes bien adapt€es aux exigences d'un fonc- tionnement satisfaisant du generateur.

Les genδrateurs d'hydrogene proposes jusqu'ici prδsen- tent par ailleurs un autre probleme qui provient du fait que la paroi sur laquelle le rayonnement solaire est concentre directement ne presente nullement les caracteristiques d'un corps noir.

En eff t, les materiaux refractaires proposes pour la construction de la surface collectrice, tels que le bioxyde de thorium, ont un pouvoir de reflexion eleve, meme ä 2500°K.

La realisation d'un generateur d'hydrogene industriel pose ainsi des .problemes techniques et economiques qui sont d'autant plus complexes que la collection du rayonnement solaire concentre, la dissociation de l'eau et la Separation des produits doivent repondre ä des exigences qui sont appa- remment contradictoires.

Les eσhangeurs de chaleur actuellement connus se preten par ailleurs tout au plus ä un prechauffage partiel de l'eau ä dissocier, par echange thermique indirect avec les vapeurs - surchauffees, enrichies respectivement en H,, et 0~.

En effet, un tel prechauffage devient plus difficile ä realiser dans la mesure que 1'on s'approche de la temperatu- re de dissociation de l'eau, voire pratique ent prohibitif ä des temperatures de l'ordre de 2500 K, ä cause notamment de difficultes posδes par la stabilite thermo-m€canique (pro¬ blemes de dilatation) des pieces de raccordement entre 1'e- changeur de prδchauffage et le reacteur proprement dit.

Le but vise.-dans la presente invention est de fournir un generateur d'hydrogene utilisant l'energie solaire pour dissocier l'eau et permettant de tenir compte des problemes sus entionnes.

A cette fin, le genärateur faisant l'objet de 1'inven- tion, tel que dδfini dans les revendications, comprend un riacteur tubulaire rotatif agence sous forme d'un four de reaction opaque, isole renfermant toute la surface ä chauf-' fer et presentant tone petite fenetre pour l'entrδe du rayon¬ nement solaire concenträ, de maniδre ä constituer une "cham¬ bre noire".

Ledit four de rέaction est en outre garni d'une plurali- te de tubes refractaires minces servant ä absorber le rayoh- nement solaire pour dissocier l'eau, et presentant une par- . tie poreuse pour la Separation de l'hydrogene par diffusion moleculaire. Le rapport de cette partie poreuse ä la surface totale desdits tubes garnissant le four peut ainsi etre choi- si, plus ou oins ä volonte, de la fagon la plus appropriee selon les conditions de travail requises pour le generateur.

Ledi ^' reacteur tubulaire englobe ainsi un echangeur de chaleur complδtement integre et regoit le rayonnement solaire concentre qui est piege dans ledit four constituant une cham¬ bre noire' et y subit de multiples reflexions ainsi qu'une ab- Sorption graduelle sur ces tubes. La surface d'absorption du rayonnement solaire peut etre ainsi augmentee tout en pri- sentant de faibles pertes thermiques.

En outre, le reacteur tubulaire est agence de teile ma- niere que.toutes les structures tubulaires refractaires ne sσient sou ises qu'ä des efforts de compression.

Ledit reacteur tubulaire rotatif est en outre agence de maniere qu'il puisse suivre le mouvement du concentra- teur solaire, lequel suit le mouvement du soleil, afin que le four de reaction puisse toujours presenter sa fenetre en position optimale au foyer du concentrateur.

Etant donne que les tubes refractaires se trouvent en consequence en position oblique, ces tubes sont sou is ä des efforts de flexion dus ä 1'effet de la pesanteur.

Dans la presente invention on obvie ä cet inconvenient par une rotation lente du reacteur autour de son axe, afin de compenser la d§formation des tubes par flexion (fluage) .

Afin de pouvoir cόmpenser ^' les d ^' ilatations et contrac- tions thermiques longitudinales, les tubes refractaires sont montβs de maniδre que leur exträmite opposee ä ladite fene¬ tre soit mobile longitudinalement et soit associδe ä un servo-mecanisme permettant de rigulariser l'effort de com- pression longitudinale auquel ces tubes sont soumis.

II est en outre pr€vu d'agencer le rδacteur tubulaire faisant l'objet de l'invention sous forme d'une structure modulaire permettant de limiter le nombre d'elements refrac- taires de formes differentes.

Selon une Variante de l'invention, les tubes refractai¬ res ainsi que la paroi tubulaire rδfractaire qui les-renfer- me sont formέs de Segments superposes qui sont emboltables, ce qui permet nota ment d'eviter des scellements entre les piδces portδes ä haute temperature. Cela est particulieremen important pour la suppression des effets nefastes des chocs thermiques et des variations de dilatation. BrSve description des dessins

L'invention peut etre illustree ä titre d'exemple par u forme d'execution representee schematiquement sur le des sin annexe, dans lequel :

La figure 1 montre un reacteur tubulaire rotatif repre- sente en coupe longitudinale, suivant I-I en figure 2.

La figure 2 montre une coupe transversale de ce reac- teur suivant II-II en figure 1.

La figure 3 montre en detail, un.mode d'assemblage d'e- lέments refractaires du reacteur selon la figure 1.

La figure 4 montre le sche a d'un Systeme collecteur- concentrateur comprenant le reacteur selon la figure 1. La figure 5 montre un schema du generateur d'hydrogene comprenant le reacteur selon la figure 1 associe ä un syste- me auxiliaire ä basse temperature.

Meilleures mani§res de realiser l'invention Les figures 1 et 2 montrent respectivement en coupe longitudinale et transversale un generateur d'hydrogene sous forme d'un reacteur tubulaire rotatif 1 comprenant une

( O P

chambre de chauffa ^' ge 5 dέϊfmitδe par une paroi tubulaire re- fractaire opaque 4 et par deux parois terminales transversa¬ les 10,11. -

Cette chambre de dissociation 5 est gamie de deux säries de tubes refractaires 7,8 dont les extremitδs sont montees respectivement sur les parois transversales 10 et 11.

Ce reacteur tubulaire 1 presente une extremitδ ricep- trice du rayonnement solaire concentre, qui est coiffie d'une _^ calotte transparente 2 et dδlimite une chambre collectrice 3 commtiniquant avec la chambre de chauffage 5 par l'interme- diaire d'une fenetre axiale 12 menagδe dans la paroi trans¬ versale 10.

Une entree 13 pour l'eau ä dissocier est disposδe sur l'autre paroi transversale 11, situee ä 1'extremite opposee du reacteur tubulaire 1.

Les tubes 7 constituant une premiere sδrie co prennent chacune une. extremite superieure fer ee par un bouchon.14, un trongon tubulaire poreux 7a et un trongon impermeable 7b s'etendant le long d'une majeure partie du tube 7 et consti- tuant un tube de prechauffage de l'eau ä dissocier.

Le bouchon 14 separe 1'Interieur du tube 7 de la cham¬ bre collectrice 3. Le trongon poreux 7a est agence de maniere qu'il permette la diffusion moleculaire preferentielle de l'hydrogene depuis la partie superieure de la chambre 5 vers l'interieur du tube 7. Une sortie d'hydrogene 15 est prevue ä 1'extremite opposee de chaque tube 7.

Le trongon poreux 7a de chacun des tubes 7 de ladite premiere serie presentera une porosite £ σomprise entre 10 et 30 %, de preference de l'ordre de 20 %, et le diametre moyen de ses pores sera compris entre 5 et 50 «.m, de prefe¬ rence de l'ordre de 40 .

Les tubes 8 constituant une seconde serie sont imper¬ meables, communiquent respectivement avec ladite chambre collectrice 3 et avec une sortie oxygene 16.et forment cha- cun un tube de prechauffage de l'eau ä dissocier.

La calotte 2 est formee d'un ateriau impermeable au

- .- gaz et transparent au rayonnement solaire concentrδ, par exemple de silice vitreuse. Elle est en outre agencäe de teile maniδre qu'elle puisse supporter la pression atmosphδ— rique externe, lorsque la chambre collectrice 3 est mise sou vide.

Le manteau isolant 6 est formä en l'occurrence d'une en veloppe externe δtanche 6a renfer ant une masse isolante r§- fractaire 6b, formδe de fibres de zircone (ZrO») par exemple

La paroi tubulaire opaque 4 dilimitant la chambre de dissociation peut etre formee de tout matδriau refractaire approprie, tel que par exemple ZrO- ou ThO-,. notamment pour sa partie destinee ä etre chauffδe ä une temperature tres elevee de l'ordre de 2200 C. Al^O, peut etre eventuellement utilisee pour sa partie chauffee ä des temperatures plus faibles.

Les tubes 7,8 seront avantageusement fabriques de ces memes matέriaux refractaires, rO« ou- ThO_ et eventuellement A1 ₂ 0 ₃ .

Des troncs de cδnes d'espacement 17 en materiau refrac- taire (Zr0 ₂ ,Th0 ₂ ou Al ₂ 0 ₃ ) sont en outre montes ä l'exterieu de la paroi tubulaire 4 de maniere qu'ils puissent coulisser axialement dans 1'enveloppe externe 6a et maintenir cette paroi 4 dans une position coaxiale par rapport ä cette en¬ veloppe 6a. La paroi transversale 11 est formee d'un flasque mobile relie de fagon etanche, par l'intermediaire d'un raccord ä soufflet 18, ä 1'extremite inferieure de 1'enveloppe ex¬ terne 6a du reacteur tubulaire 1.

Les sorties inferieures 15 et 16 des tubes 7 et 8 sont en outre reliδes respectivement de fagon itanche a des σon- nexions tubulairessouples 19 et 20. De meme, l'entree 13 est reliee de fagon etanche ä une connexion tubulaire souple 21 pour 1'alimentation en eau ä dissocier.

La paroi ter inale superieure 10 forme un disque d'espa cement annulaire en materiau refractaire fixe sur la surface interieure de la paroi tubulaire 4, uni d'un trou central

O PI . 1PÖ

12 constituant ladite fenetre axiale et de trous permettant le positionnement des tubes correspondants 7 et 8.

Les tubes 7 et 8 sont aintenus paralliles les uns aux autres ä l'aide de ladite paroi superieure 10 ainsi que d'une serie de disques d'espacement annulaires 10a agences de fa¬ gon si ilaire ä cette paroi terminale 10, ais dans diffδ- rentes positions ^' intermediaires le long de la chambre de dissociation ^' 5. Les trous 12a de ces disques 10a correspon- dent par ailleurs ä la fenetre axiale 12 de la paroi termi- nale 10. Cette paroi 10 et au moins les disques 10c situes dans la partie superieure du reacteur, notamment au voisina— ge des trongons poreux 7a des tubes 7, sont for es d'un ma¬ teriau refractaire capable de resister aux temperatures ele- vees necessaires ä la dissociation de l'eau, de prefirence ZrO_ ou Th0_. Les disques d'espacement 10a, qui sont situes dans la partie inferieure du räacteur, sont exposees ä des temperatures bien plus basses, et peuvent etre fabriques de Al- _j O. ₃ par exemple.

Le reacteur tubulaire rotatif 1 sus-decrit est onte en rotation sur des paliers 22 et 23 et est relie ä un disposi- tif d'entralnement 24 servant ä le faire tourner lentement ä vitesse reglable autour de son axe longitudinal 25. Ce dispositif d'entraϊnement 24 peut comprendre tout oteur approprie et il est agence en 1-'occurrence de maniere ä i - primer au reacteur 1 un mouvement tournant altematif cor- respondant ä un tour complet autour de son axe 25, dans les ^■ deux sens de rotation. La vitesse de rotation du reacteur 1 peut etre dans ce cas de 1'ordre de 1 tour/ inute par exem¬ ple. La figure 3 montre un detail d'un ode d'assemblage prefere des elements refractaires 4,7 et 8 du reacteur 1 dβcrit ci-dessus par rapport aux figures 1 et 2.

Comme il apparait de la figure 3, la paroi tubulaire refractaire 4 ainsi que les tubes refractaires 8 (et 7) sont composes de segments tubulaires formant des modules assembles simplement par e boitement les uns dans les autres.

__0MPI_

A cette fin, chaque segment ^" d'un tube 7 ou 8 präsente respectivement ä ses extremites opposees un rätrecissement externe 26 et un δlargissement interne correspondant 27, per mettant 1'emboitement avec le segment suivant. Les disques 510 et 10a sont alors perfores- de trous d'un diametre corres¬ pondant audit retrβcissement 26 de teile maniδre que chaque disque repose sur un e aulement du retrecisse ent correspon¬ dant 26 de σnaque segment des tubes 7 et 8, et s'interσale ainsi entre les segments emboltέs. 0 De meme la paroi tubulaire 4 est cόmposee de segments tubulaires formant des modules embo tes entre lesquels les disques 10 et 10a ainsi que les troncs de cδnes d'espacement 17 sont intercales respectivement.

Comme il est indiquδ schematiquement sur les figures 1 5 et 3, un palpeur de pression 28 est agence de teile maniere ä 1'extremite superieure du räacteur 1, entre 1'enveloppe 6a et le. tronc de cδne d'espacement- 17 relie ä la paroi tubu¬ laire 4, que ce palpeur mesure la pression axiale existant entre cette enveloppe et cette paroi, et qu'il delivre un 0 signal de pression correspondant spa.

Un servo-mecanisme 29 est asservi audit palpeur 28, comme il est indique schematiquement par la ligne discontinu 30 sur la figure 1. Il est agence entre la paroi mobile infe rieure 11 et 1'extremite inferieure de 1'enveloppe 6a, de 5 maniere ä reguler la position axiale relative de la paroi 4 et des tubes 7,8 par rapport ä cette enveloppe 6a, en fonc- tion dudit signal de pression sp et ä maintenir ainsi une faible pression axiale predeterm ^a inee, de l'ordre de 0,1 kg/c par exemple, correspondant ä une faible force de compression 0 longitudinale predeterminee agissant sur la paroi tubulaire 4.

La figure 1 montre enfin un petit reflecteur 31 ser¬ vant ä diriger le rayonnement solaire, concentre 5000 ä 10000 fois, ä travers ladite calotte transparente 2 et la 5 fenetre axiale 12 de la chambre 5, sur la partie superieure des tubes refractaires 7,8.

_Q W1

Ce reflecteur 31 fait partie d'un Systeme collecteur- concentrateur solaire qui sera d crit plus en detail ci-des- sous.

La figure 4 montre un schema gen ral du reacteur tubu-. laire rotatif 1 decrit ci-dessus, associe ä un Systeme col- lecteur-concentrateur solaire comprenant un grand reflecteur parabolique de revolution mobile- 32 qui est monte sur un Sup¬ port 33 de maniere qu'il puisse pivoter autour d'un axe 34 et suivre ainsi le soleil afin de recevoir le rayonnement solaire parall lement. ä son axe de symetrie 35.

Comme il apparalt de la figure- 4, le reacteur tubulaire

1 est monte le long de cet axe 35 du grand reflecteur 32 de maniere qu'ils puissent pivoter ensemble autour de l'axe 34. Le petit reflecteur 31 est en outre dispos dans une zone focale du grand reflecteur 32, vis-ä-vis de la calotte

2 et de la fenetre 12 disposees ä 1'extremite receptrice du reacteur 1. ' .

Les connexions tubulaires souples 19 ä 21 ä l'autre ex¬ tremite du reacteur 1 sont en outre reliees ä un Systeme auxiliaire ä basse temperature qui sera decrit ci-dessous.

Le reacteur tubulaire rotatif 1 decrit ci-dessus et re- presente en outre dans le schema de la figure 5 sert ä assu¬ rer en meme te ps le prechauffage et la dissociation de l'eau, ainsi que la Separation des produits dissocies, par effusion moleculaire en regime de Knudsen dans lesdits trongons tu¬ bulaires poreux 7a, en deux fractions H ₂ ~H_0 et 0 ₂ -H ₂ 0. Ces deux fractions sont for ees de vapeur d'eau enrichie respec¬ tivement en hydrogene et en oxygene gazeux.

L ¹ ensemble des parties du generateur d'hydrogene qui se trouvent ä haute temperature lors de son fonctionnement sont ainsi reunies dans ce reacteur tubulaire rotatif 1 lui-meme, lequel est en outre associe au Systeme auxiliaire ä basse temperature represente dans le schema de la figure 5.

Comme il apparalt du schema de la figure 5, lesdits - raccords tubulaires 19 et 20, qui sont d'une part relies res¬ pectivement aux sorties d'hydrogδne 15 et d ¹ oxygene 16

(figure 1) , sont d'autre part reli s respectivement par des conduits d'evacuation 36 et 37 ä deux compresseurs 38 et 39.

Ces deux compresseurs 38 et 39 sont unis respective¬ ment de moyens de reglage de leur debits, de maniδre que leurs pressions d'entree respectives P-,H_ et P- _j O« soient reglables, et correspondent ä des vitesses d'aspiration r - glables desdites fractions H-,-H ₂ 0 et 0 ₂ -H ₂ 0 evacu es respec¬ tivement du reacteur 1. Ces deux ^' fractions sont comprimees respectivement par les compresseurs 38 et 39 et delivrees ä des pressions correspondantes plus elev es ₂ H ₂ et P ₂ °<> par 1'intermediaire de conduits 40 et 41, ä deux condenseurs 42 et 43.

Les deux condenseurs 42 et 43 servent respectivement ä condenser la vapeur d'eau contenue dans lesdites fractions H ₂ -H ₂ 0 et 0 ₂ ~H ₂ 0, afin d'en separer' ainsi l'hydrogene et l'oxygδne qui sont enfin deiivres respectivement sous pres¬ sion par des conduits de sortie respectifs 44 et 45, par exe ple ä des reservoirs de stockage correspondants 46 et 47. Ces deux condenseurs 42 et 43 contiennent respective- ment des bains d'eau 48 et 49, dans lesquels des vannes de detente reglables 50 et 51 sont agencees de teile maniere qu'elles puissent soutirer de chaque bain une quantite re¬ glable d'eau sous pression ⁽ P ₂ ^H ₂ ^res P ^ectivemen'i: P _? ⁰ _? ^ ' ^et/ la soumettre ä une detente jusqu'ä une pression sous-at os- pherique reglable, conduisant ä la Vaporisation de l'eau. La quantite de chaleur necessaire ä cette Vaporisation dans les vannes de detente 50 et 51 est ainsi fournie par les bains 48 et 49 dans lesquels ces vannes sont immergees, de teile sorte que ces bains soient refroidis en consequence. La vapeur d'eau detendue ainsi obtenue ä la sortie des vannes 50 et 51 est recyclee continuellement sous une pres¬ sion reglable p,H- _j O, par un conduit de recyclage 52 relie au raccord tubulaire 21, ä l'entree d'eau 13 (figure 1) du ^" reac teur tubulaire rotatif 1. " Un conduit d.'alimentation d'eau d'appoint 53 muni d'une pompe 54 est en outre relie ä deux conduits d'amenee 55 et

56 unis respectivement de vannes de räglage 57 et 58, afin de pouvoir fournir des quantites reglables d'eau d'appoint aux deux bains 48 et 49, et de compenser ainsi la quantite d'eau dissociee continuellement dans le reacteur 1. 5 Ces deux vannes 57 et 58 de reglage de l'eau d'appoint peuvent etre commandees automatique ent par tous moyens ap— prαpries, tels que des palpeurs du niveau du bain d'eaύ cor¬ respondant, representes schematiquement par les eiements 59 et 60 et associes fonctionnellement ä ces vannes 57 et 58, 0 comme il est indique schematiquement par des lignes discon- tinues sur la figure 5. Il s'agit donc lä d'un dispositif de regulation de niveau d'un type bien connu, tel qu'on l'utilis.e pour la regulation du niveau d'eau dans une chau- diere. 5 Les condenseurs 42 et 43 sont en outre associes respec¬ tivement ä un circuit de refroidissement auxiliaire qui est ^■ indique schematiquement par des Serpentins correspondants 61 et 62 relies par des conduits 63,64 et 65 ä une source froide 66. Celle-ci per et d'evacuer du Systeme auxiliaire 0 (Aux) decrit toute chaleur excedente ä basse temperature, afin d'assurer la condensation et donc la Separation de toute l'eau non dissociee contenue dans lesdites fractions H ₂ ~H ₂ 0 et 0 ₂ ~H_0. Ce circuit de refroidissement auxiliaire 61 ä 66 permet ainsi d'assurer dans tous les cas le bilan thermique 5 de 1'ensemble du generateur decrit, et de recuperer separe- ment l'hydrogene, l'oxygene et l'eau ä recyσler.

Le generateur d'hydrogene decrit ci-dessus par rapport aux figures 1 ä 5 peut ä titre d'exemple presenter les ca¬ racteristiques suivantes : 0 - Diametre externe du reacteur (1) = 30 cm

- Longueur totale du reacteur (1) = 5 m

- Diametre interne de la paroi 4 (chambre 5) = 18 cm

- Repartition de 6 tubes 7 alternant avec 6 tubes 8 sur un cercle de 18 cm de diametre. 5 '- Diametre externe des tubes 7,8 = 2 cm, leur epaisseur de paroi = 2 mm,

- et, leur longueur totale = 5. m environ.

- Longueur du trongon tubulaire poreux 7a = 30 cm

- Diamέtre du petit reflecteur 31 = 1 m

- Diamätre du grand reflecteur 32 = 8 in Le fonctionnement du generateur d'hydrogine decrit ci.- dessus peut δtre expliqu de la maniere suivante :

On choisira en l'occurrence les conditions de travail suivantes pour le fonctionnement du reacteur 1 en regime permanent :

- pression d'injection de vapeur d'eau ' P _ι H ₂ 0 = 0,25 atm ;

- pression d'aspiration d'oxygäne p _χ 0 ₂ = 0,2 atm ; p ₂ 0 ₂ = 10 atm ;

- pression d'aspiration d'hydrogδne p ^, H ₂ = 0,025 atm ; P ₂ ^H ₉ ^{= 10 atm} ' - temperature de dissociation = 2500 K

Pour obtenir de maniäre economique les rapports de com- pression correspondant ä ces pressions, on utilisera par ex¬ emple des compresseurs du type Roots.

Le demarrage du reacteur 1 peut etre effectue par les operations suivantes :

- On actionne les compresseurs 38 et 39, dont on ajuste les pressions d'aspiration ä une valeur residuelle inferieur aux pressions de travail choisies ( - _j H ₂ = 0,025 atm; P _ι ° ₂ = 0,2 atm) , par exemple ä 0,005 atm. - On injecte dans le reacteur la vapeur d'eau ä une pression correspondant ä la Saturation ä temperature ambiante (par exemple 0,05 atm ä 35 C) .

- On applique progressivement le rayonnement solaire concentre ä 1'extremite receptrice du reacteur 1, que 1'on fait tourner alternativement d'un tour complet en une minu- te dans les deux sens.

Le fonctionnement du r acteur en regime permanent s'ob- tient lorsque la temperature y est suffisamment eievee pour permettre la dissociation de l'eau, et lorsque les conden- seurs sont suffisamment chauds pour permettre l'injection de la vapeur d'eau ä la pression de travail choisie, p,H ₂ 0

SU RE

0MP

= 0,25 atm, qui correspond ä T = 2500 K, tandis que 1'on ajuste les compresseurs 38 et 39 aux pressions de travail correspondantes, -,*^ = 0,025 atm et P- _| 0 ₂ = 0,20 atm, res¬ pectivement. - Dans ces conditions de travail, on obtient une produc- tion d'hydrogene de l'ordre de 700 gr/heure pour un flux solaire incident de 50 kW.

Le reacteur tubulaire rotatif selon l'invention, tel que decrit ci-dessus, est associe ä un reflecteur paraboli- que afin de pouvoir concentrer le rayonnement solaire 5000 ä 10000 fois afin que ce reacteur puisse atteindre un rende¬ ment acceptable ä 2500 K.

La dimension de 8 m de di.amitre pour le reflecteur est la meilleure pour 1'adaptation aux supports Standards prevus pour les heliostats des centrales solaires ä tour.

Ce reacteur tubulaire peut constituer une unite moduläi- re ayant *toutes dimensions appropriees pour assurer un bon rendement. Plusieurs unites modulaires peuvent par ailleurs etre reliees ä une unite centrale contenant tous les systδ- es auxiliaires ä basse temperature, afin d'assurer ainsi toute production d'hydrogene elevee pouvant etre requise.

II est evident que les compresseurs 38,39 et les con¬ denseurs correspondants 42,43 decrits ci-dessus peuvent etre agences de toute maniere appropriee, par exemple en plusieurs etages successifs de compression _. et de condensation.

Les compresseurs 38,39 peuvent par ailleurs etre entrai- n s par tout moyen approprie, par exemple par. des turbines (non representees) actionnees par de la vapeur obtenue par des moyens d'echange auxiliaires, servant notam ent ä refroi- dir 1'enveloppe 6a du manteau ϊsolant 6, de-preference au voisinage de 1'extremite receptrice du reacteur 1, ou ser¬ vant ä refroidir les sorties 15 et 16 des fractions H ₂ ~H ₂ 0 et 0- _j -H_0 insuffisamment refroidies par leur passage dans les tubes 7 et 8. Le bioxyde de thorium h0 ₂ presente des avantages par¬ ticulierement interessants. comme materiau refractaire pour

0MPI

la construction des parties chauffees ä haute temperature dans le reacteur tubulaire rotatif faisant l'objet de la presente invention.

Ainsi, Th0 ₂ presente une temperature de _. fusion qui est de l'ordre de 3500 K, ce qui laisse une bonne marge de secu- rite (d'environ 1000 K) au-dessus de la temperature de tra¬ vail de 2500 K pouvant etre envisagee avantageusement pour le fonctionnement du reacteur tubulaire rotatif selon l'invention. La bonne resistance de Th0 ₂ ä la compression ä haute temperature est avantageuse, etant donne la construction par ticuliδre et le mode de fonctionnement du reacteur tubulaire selon l'invention, qui permettent essentiellement de soumet- tre tous ses eiements tubulaires refractaires ä de faibles efforts de compression. En revanche, d'autres constructions proposees dans I'etat de la technique telles que des membra- lies poreuses bombees ou planes seraient soumises ä des ef¬ forts bien plus eieves, notamment des efforts de flexion.

De plus, ThO-, constitue l'un des matäriaux refractaires les plus stables et inertes ä 1'Oxydation et ä la reduction par la vapeur d'eau et ses produits de dissociation ä des temperatures jusqu'ä 3000 K.

Th0_ permet donc d'assurer un bon fonctionnement en re¬ gime permanent du reacteur tubulaire selon l'invention, c'est-ä-dire sans interaction chimique de Th0_ avec H-,0 et ses produits de dissociation jusqu'ä 2500 K au moins.

De meme, Th0_ est inerte jusqu'ä plus de 2000 K vis-ä-v de divers autres oxydes solides tels que MgO, Zr0 ₂ et spinel de sorte que le raccordement de tubes de ThO«, dans la zone ä haute temperature, ä des tubes de ces autres oxydes, dans la zone ä basse et moyenne temperature ne devrait pas poser de problemes critiques.

ThO,, n'absorbe que faiblement la lumiere dans le spec- tre visible. Cependant, 1'incorporation d'un additif tel que Ce0_ en tres faible concentration ( ^ 1%) devrait suffire pour assurer l'absorption du rayonnement solaire par les

ITU

OM

reflexions multiples qui s'obtiennent gräce ä la disposition particuliere du räacteur tubulaire selon l'invention, ä sa— voir les reflexions multiples d'une part entre les tubes re¬ fractaires eux-memes, et d'autre part entre ces tubes et la paroi tubulaire refractaire qui les renferme. En effet, une absorption trop forte du rayonnement solaire serait indesi- rable etant donne qu'elle favoriserait des chocs thermiques, auxquels ThO_ est relativement sensible.

BURE4,

O PI__

, A %-^ W1PO . ,