Qu'est-ce qu'une pompe de refroidissement du réacteur ?
Les pompes de refroidissement du réacteur sont installées dans les centrales nucléaires. Le rôle principal d'une pompe de refroidissement du réacteur (RCP) est d'assurer un débit forcé de fluide caloporteur primaire pour évacuer la chaleur (énergie thermique) générée par le cœur du réacteur pendant le processus de fission. Même sans pompe, il y aurait un écoulement par circulation naturelle à travers le réacteur en raison de la variation de température, et par conséquent de densité, du fluide caloporteur primaire. Cependant, cet écoulement n'est pas suffisant pour évacuer la chaleur générée lorsque le réacteur est en puissance. L'écoulement par circulation naturelle est suffisant pour l'évacuation de la chaleur lorsque la centrale est arrêtée, ou, lorsque seule la chaleur résiduelle est présente.
Les RCP sont entraînées par de grands moteurs électriques refroidis par air, conçus pour un fonctionnement continu. Le moteur est relié à une turbine centrifuge à flux mixte roue via une série d'arbres installés en série (discuté plus tard dans cet article).
Bon à savoir - une 'pompe de refroidissement du réacteur' est parfois aussi appelée 'pompe de refroidissement du réacteur' bien que ce soit une définition incorrecte.
Exemple de Circulation Forcée et Naturelle (d'une chaudière à tubes d'eau)
Le fluide caloporteur (caloporteur primaire) entre du côté aspiration de la pompe depuis la sortie du générateur de vapeur. L'eau est accélérée par la roue de la pompe. Cette augmentation de vitesse est ensuite convertie en pression dans la volute de décharge. Une centrale nucléaire à eau pressurisée (PWR) typique fonctionne avec le circuit primaire à environ 155 bar (2248 psi).
Après que le fluide caloporteur quitte le côté décharge de la pompe, il entre dans l'entrée du vaisseau du réacteur via le tuyau de 'jambe froide'. Le fluide caloporteur primaire circule à travers les assemblages de combustible du réacteur pour collecter la chaleur; il est ensuite renvoyé aux générateurs de vapeur via le tuyau de 'jambe chaude'. Une centrale nucléaire à eau pressurisée (PWR) typique fonctionne avec une température de jambe froide d'environ 290°C (554°F) et une température de jambe chaude d'environ 320°C (608°F).
Bon à savoir - une 'jambe froide' est un tuyau qui relie une RCP à un réacteur. Une 'jambe chaude' relie un réacteur à un générateur de vapeur. Une 'jambe de transfert', ou 'tuyau de transfert', relie un générateur de vapeur à une RCP. Les jambes froides et chaudes sont nommées en raison de la température du fluide caloporteur primaire dans chaque jambe.
Parties d'une Centrale Nucléaire à Eau Pressurisée
Conception de la Pompe de Refroidissement du Réacteur
Les moteurs des RCP sont de type cage d'écureuil (moteur à induction) et fonctionnent généralement à environ 6kV ou 13kV, selon la tension d'alimentation. La vitesse de rotation (tr/min) d'une RCP est dictée par la fréquence d'alimentation du moteur, qui est de 50Hz ou 60Hz selon la localisation géographique. Une RCP typique peut tourner à environ 1 200 - 1 500 tr/min et peser plus de 100 tonnes.
Une RCP typique d'un réacteur à eau pressurisée fonctionne à une pression d'environ 155 bar (2248 psi) et à une plage de température comprise entre 290°C-320°C (554°F-608°F), mais ces facteurs sont finalement dictés par le système de refroidissement du réacteur.
La puissance d'un moteur de RCP sera généralement comprise entre 6 000 et 10 000 ch (4,5 MW à 7,5 MW). La grande quantité de puissance est nécessaire pour fournir le débit de fluide caloporteur nécessaire à l'évacuation de la chaleur; les RCP peuvent atteindre des débits de 25 000 m3/h (11 000 gallons par minute).
Quelles sont les principales parties d'une pompe de refroidissement du réacteur ?
Le modèle 3D interactif de saVRee représente une pompe centrifuge à flux mixte, à un étage, à aspiration unique. Les principales parties d'une RCP sont indiquées ci-dessous.
Parties de la Pompe de Refroidissement du Réacteur
Buse d'Aspiration
Le fluide caloporteur primaire est aspiré dans la pompe par cette buse; le fluide est aspiré dans la pompe depuis la jambe de transfert.
Le fluide caloporteur primaire est évacué de la pompe par cette buse; le fluide est évacué dans la jambe froide.
Roue
La roue est une roue centrifuge à flux mixte. Le terme « flux mixte » se réfère à l'écoulement axial dans la base de la roue et à l'écoulement radial vers l'extérieur de la roue. Ce type de roue est utilisé pour des débits moyens à élevés, et des pressions moyennes à élevées; la conception est similaire à celle d'une turbine Francis.
Arbre
L'arbre transfère le mouvement rotatif créé par le moteur électrique à la roue; il est maintenu en alignement à l'aide de paliers. En raison de la longueur de l'arbre, il est divisé en plusieurs parties, le demi-accouplement de pompe, le demi-accouplement de moteur, et l'accouplement d'espacement; ces parties sont ensemble communément appelées « l'arbre de la pompe », bien que ce soit techniquement incorrect car l'arbre est constitué de plus d'une seule pièce.
Paliers de Guidage
Les charges radiales exercées par la pompe pendant le fonctionnement sont transférées aux paliers de guidage. Des paliers hydrostatiques auto-alignants sont utilisés pour maintenir l'arbre aligné verticalement. La pression de décharge de la roue centrifuge agit sur une plaque d'équilibrage du journal de palier, ce qui garantit que l'alignement du palier -et de l'arbre- est correct chaque fois que la pompe est en fonctionnement.
Ensemble d'Étanchéité
L'ensemble d'étanchéité de la pompe est généralement la zone de la pompe nécessitant le plus d'interventions de maintenance car elle forme une barrière de pression dynamique. Il est essentiel de maintenir un joint fiable entre le côté hydraulique de la pompe et l'arbre principal. Si l'intégrité du joint est compromise, une fuite de fluide caloporteur primaire se produira.
L'étanchéité de l'arbre est réalisée dans la partie supérieure du carter de la pompe à l'aide d'une cartouche de joint amovible qui contient trois joints mécaniques installés en série. Les ressorts des joints mécaniques pressent les faces en carbure de titane et graphite stationnaire ensemble et garantissent que les faces restent alignées. Le chemin d'écoulement tortueux du joint inférieur au joint supérieur garantit peu de fuite à travers l'ensemble d'étanchéité de l'arbre. Pour garantir que les pièces du joint mécanique ne tombent pas en panne en raison de températures élevées, un refroidissement des joints est assuré. Sous l'ensemble d'étanchéité, une roue auxiliaire est clavetée à la roue principale. Le débit d'eau de joint à travers le refroidisseur de joint est assuré par la roue auxiliaire.
Bon à savoir - les joints d'arbre ont plusieurs conceptions différentes et celle décrite ci-dessus n'est qu'un type.
Diffuseur
Après que le liquide est évacué de la roue, il s'écoule à travers un diffuseur. La forme du diffuseur provoque la diminution de la vitesse du liquide et l'augmentation de sa pression (principe de Bernoulli); un carter de volute remplit la même fonction.
Moteur Électrique
Un moteur électrique est utilisé pour faire tourner la roue. Les moteurs des RCP sont des moteurs à induction à cage d'écureuil à courant alternatif avec une tension de fonctionnement typique comprise entre 6kV et 13,8 kV (selon la conception).
Accouplement d'Espacement
L'accouplement d'espacement est installé entre le demi-accouplement de pompe et le demi-accouplement de moteur; il peut être retiré pour donner au personnel un accès plus facile au joint d'arbre et à la barrière thermique.
Eau de Refroidissement des Composants (CCW)
Le circuit de refroidissement des composants (CCW) est alimenté par un échangeur de chaleur intégré et la barrière thermique de la pompe. Le CCW évacue la chaleur des composants internes de la pompe pour éviter la surchauffe. Tant l'échangeur de chaleur intégré (eau du circuit primaire refroidie / CCW), que le refroidisseur CCW (CCW / circuit d'eau de refroidissement externe), utilisent des échangeurs de chaleur à calandre et tubes.
Joints Toriques Métalliques
Les joints toriques et les joints mécaniques sont installés à divers endroits dans la pompe pour sceller/fermer les chemins d'écoulement non intentionnels. Deux joints toriques sont installés entre le carter de la pompe et le couvercle du carter. Si le joint torique intérieur échoue, l'eau de refroidissement chaude s'écoulera via un chemin de drainage vers un sump de confinement. Des capteurs de température installés dans le chemin de drainage alertent le personnel de toute fuite de fluide caloporteur.
Volant
Un volant est une pièce de métal lourde, en forme de disque, qui lisse les vibrations. Il le fait en stockant l'énergie rotative et en utilisant ensuite cette énergie pour résister aux changements de la vitesse de rotation de la machine. La quantité d'énergie stockée dans le volant est la racine carrée de sa vitesse de rotation. Un volant de RCP garantit également que la pompe continue de tourner même si le réacteur est arrêté, fournissant ainsi un refroidissement adéquat du réacteur même lorsque aucune alimentation électrique n'est disponible.
Échangeur de Chaleur Externe
Un échangeur de chaleur à calandre et tubes externe transfère la chaleur du circuit de refroidissement des composants (CCW) à un puits de chaleur par exemple une tour de refroidissement.
Demi-Accouplement de Moteur
Le bas du demi-accouplement de moteur se connecte à l'accouplement d'espacement. Le mouvement rotatif du demi-accouplement de moteur est transféré à l'accouplement d'espacement.
Demi-Accouplement de Pompe
Le haut du demi-accouplement de pompe se connecte à l'accouplement d'espacement. Le mouvement rotatif de l'accouplement d'espacement est transféré au demi-accouplement de pompe.
Paliers Radiaux Supérieurs et Paliers de Butée
Les paliers radiaux supérieurs et les paliers de butée sont situés près du haut du moteur électrique. Les paliers radiaux gèrent les charges radiales (charges agissant perpendiculairement à l'arbre de la pompe), tandis que les paliers de butée gèrent les charges axiales (charges agissant parallèlement à l'arbre de la pompe).
Refroidisseur d'Air
L'air est refroidi dans un refroidisseur d'air avant d'être délivré à l'espace entre le couvercle de la pompe et le carter du moteur; l'air de refroidissement élimine la chaleur résiduelle.
Conduit d'Air
L'air de refroidissement est transféré via des conduits d'air.
Paliers Radiaux Inférieurs
Le palier radial inférieur s'occupe des charges perpendiculaires à l'arbre du moteur.
Roue Auxiliaire
La roue auxiliaire a deux objectifs principaux : elle fournit la pression au palier de journal auto-alignant et fournit un petit débit aux joints de la pompe; le débit vers les joints de la pompe est aspiré à travers la barrière thermique.
Tube de Récupération
Pour fournir un moyen de déterminer les fuites de joint, un système de collecte de joint est utilisé. Les fuites au-delà du troisième joint mécanique sont collectées dans un tube de récupération qui entoure l'arbre de la pompe. Les fuites dans le tube de récupération sont constamment surveillées.
Bague de Restriction
La bague de restriction fournit une restriction entre le fluide pompé par la roue et la zone de joint mécanique, de sorte que le débit est réduit ou contrôlé.
Ressources Supplémentaires
https://www.nuclear-power.net/reactor-coolant-pump
https://www.ksb.com/centrifugal-pump-lexicon/reactor-pump/191846