Brevet FR2985296A1 — publié le 20130705

DISPOSITIF D'ETANCHEITE A L'ARRET PASSIF POUR SYSTEME DE JOINTS D'ARBRE D'UN GROUPE MOTOPOMPE PRIMAIRE. DOMAINE TECHNIQUE Le domaine de l'invention est celui des groupes motopompes primaires de réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP). L'invention concerne plus un dispositif d'étanchéité à l'arrêt (DEA) passif permettant de contrôler une fuite de fluide de refroidissement primaire résultant de la défaillance du système de joints présent sur le groupe moto- pompe primaire. ETAT DE LA TECHNIQUE Les dispositifs d'étanchéité à l'arrêt (DEA) ont été développés dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression de nouvelles générations pour faire face une défaillance du système de joints du groupe motopompe pri- maire suite à une situation accidentelle, dite SBO (pour Station Black Out en langue anglaise). Ainsi, les dispositifs d'étanchéité à l'arrêt doivent, dans cette situation accidentelle et après l'arrêt de la pompe primaire, permettre de contrôler et de stopper une fuite du fluide de refroidissement primaire résultant de la dé- faillance du système de joints du groupe motopompe primaire. Classiquement, ce type de dispositif est activé par une source auxi- liaire (telle que par exemple un circuit d'azote sous pression) et le déclenchement est piloté par une information délivrée par le contrôle commande du réacteur, en cas de perte des sources de refroidissement du groupe mo- topompe primaire. Dans le but de d'affranchir de l'utilisation d'une source d'activation, il a été développé un dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif ne nécessitant aucun système auxiliaire d'activation, ni d'élaboration d'une information de dé- clenchement au niveau du contrôle commande du réacteur. Un tel dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif est décrit dans le document WO 2010/068615. EXPOSE DE L'INVENTION Dans ce contexte l'invention vise à proposer une amélioration d'un tel dispositif d'étanchéité permettant de garantir l'activation du dispositif d'étanchéité ainsi que son bon fonctionnement lors d'une situation acciden- telle. A cette fin l'invention propose un dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire comportant au moins un bilame thermique adapté pour changer de forme à partir d'un seuil de température ; ledit bilame thermique présentant une première posi- tion, dite position froide, lorsque la température dudit bilame est inférieure au dit seuil de température, et une deuxième position, dite position chaude, lorsque la température dudit bilame est supérieure au dit seuil de température ; ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte : - un anneau d'étanchéité présentant une position activée lorsque ledit au moins un bilame thermique est dans sa position chaude et présentant une position inactivée lorsque ledit au moins un bilame thermique est dans sa position froide ; - des moyens de verrouillage/déverrouillage solidaires dudit au moins un bilame thermique et adaptés pour verrouiller ledit anneau d'étanchéité dans sa position inactivée lorsque ledit au moins un bilame thermique est dans sa position froide et pour libérer ledit anneau d'étanchéité lorsque ledit au moins un bilame thermique est dans sa position chaude ; - des moyens élastiques adaptés pour contraindre ledit anneau d'étanchéité dans la position activée lorsque lesdits moyens de verrouillage/déverrouillage sont déverrouillés. Grâce à l'invention, il est possible de stopper une fuite du fluide de refroidissement primaire résultant de la défaillance du système de joints du groupe motopompe primaire sans nécessité d'une source auxiliaire d'activation. La conception du dispositif selon l'invention permet une implantation simplifiée sur les architectures des groupes motopompes primaires déjà en service. Grâce au dispositif selon l'invention, il est également possible d'ajuster le dispositif aux contraintes de fonctionnement de chaque type de réacteur nucléaire par le réglage de la température d'auto-activation du dispositif, et plus précisément par la modification du seuil de température de changement de forme du bilame thermique. Le dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif selon l'invention peut égale- ment présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous prises indi- viduellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - ledit dispositif est adapté pour être intégré sur un système de joints d'un arbre de groupe motopompe primaire en service ; - ledit anneau comporte un épaulement adapté pour coopérer avec lesdits moyens de verrouillage/déverrouillage ; - ledit au moins un bilame thermique est adapté pour changer de forme à partir d'un seuil de température compris entre 80°C et 200°C, avantageusement égal à 150°C ; - ledit anneau d'étanchéité est réalisé dans un matériau polymère ré- sistant à des températures supérieures à 300 °C ; - ledit anneau d'étanchéité est réalisé en PEEK ; - ledit anneau d'étanchéité est réalisé en un composite à matrice PEEK chargé fibre de verre ou de carbone ; - ledit anneau d'étanchéité est réalisé dans un matériau métallique ; - ledit anneau d'étanchéité est un matériau composite formé par un noyau métallique et revêtu par un matériau plus malléable que ledit noyau métallique ; - ledit matériau plus malléable que ledit noyau métallique est un polymère ou du nickel ou de l'argent ; - lesdits moyens élastiques sont des ressorts de compression ; - le dispositif comporte une pluralité de bilames thermiques et une pluralité de moyens de verrouillage/déverrouillage répartis sur le pourtour dudit anneau ; lesdits bilames thermiques et lesdits moyens de verrouillage/déverrouillage étant écartés angulairement les uns des autres d'un angle constant ; - ledit dispositif comporte trois bilames thermiques et trois moyens de verrouillage/déverrouillage. L'invention a également pour objet un groupe motopompe primaire compor- tant : - un système de joints adapté pour réaliser une fuite contrôlée s'établissant le long d'un chemin de fuite agencé le long de l'arbre pompe pompe du groupe motopompe primaire ; - un dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif selon l'invention adapté pour obturer au moins partiellement ledit chemin de fuite dudit système de joints lorsque ledit système de joint est défaillant et lorsque ledit anneau d'étanchéité est activé, de manière à réaliser une fuite contrôlée. BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un premier mode de réalisation d'un dispositif d'étanchéité d'arrêt passif selon l'invention intégré dans un système de joints d'un groupe motopompe primaire ; - les figures 2a et 2b illustrent le comportement du dispositif d'étanchéité d'arrêt passif illustré à la figure 1 en fonction de la température ; - la figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation d'un dispositif d'étanchéité d'arrêt passif selon l'invention intégré dans un système de joints d'un groupe motopompe primaire : - les figures 4a et 4b illustrant le comportement du dispositif d'étanchéité à l'arrêt illustré à la figure 3 en fonction de la tempéra- ture. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION Les pompes primaires des réacteurs à eau sous pression sont de type centrifuge à axe vertical. L'étanchéité dynamique en sortie d'arbre 10 (figure 1) est assurée par un système de joints constitué de trois étages. Le premier étage est baptisé joint n°1. Le joint n°1 (non représenté) est un joint hydrostatique à fuite contrôlée. En fonctionnement normal, un débit de fuite, illustré par la flèche F1, s'établit le long de l'arbre 10. En situation accidentelle, la température du fluide en entrée du joint n°1 subit une élévation rapide de température pour atteindre une valeur proche de la température du circuit primaire, soit environ 280°C. A cette température, les performances du joint n°1 sont dégradées ce qui entraine une augmentation très importante de débit de fuite qui peut dépasser 10 m3 par heure. Les dispositifs d'étanchéité à l'arrêt (DEA) passif sont destinés dans cette situation accidentelle à bloquer le chemin de fuite F1 en aval du joint n °1. La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif d'étanchéité d'arrêt passif selon l'invention intégré dans un système de joints d'un groupe motopompe primaire. Le dispositif DEA illustré à la figure 1 est illustré en conditions normales de fonctionnement. Les figures 2a et 2b illus- trent une vue en coupe de deux états du dispositif d'étanchéité selon l'invention. La figure 2a illustre plus particulièrement le dispositif d'étanchéité lors des conditions normales de fonctionnement du groupe motopompe primaire, c'est-à-dire lorsque la température du dispositif est inférieure à une valeur seuil. La figure 2b illustre plus particulièrement le dispositif d'étanchéité lors des situations accidentelles de fonctionnement du groupe motopompe primaire, c'est-à-dire lorsque la température du dispositif est supérieure à une valeur seuil. Le dispositif d'étanchéité à l'arrêt 20 selon l'invention comporte : - une pluralité de bilames thermiques 21 (un seul étant représenté) adaptés pour changer de forme à partir d'un seuil de température prédéterminé ; - un support 22 permettant de solidariser le dispositif 20 sur le groupe motopompe primaire, et plus particulièrement sur le support de l'équipage flottant 32 du joint n°1 ; - un anneau d'étanchéité 23 positionné concentriquement par rapport à arbre pompe 10 du groupe motopompe primaire ; - des moyens élastiques 24, tels que des ressorts de compression, adaptés pour déplacer axialement l'anneau d'étanchéité ainsi que pour le contraindre sur la glace tournante 31 du joint n°2 ; - des moyens de verrouillage/déverrouillage 25 permettant de verrouil- ler ou de déverrouiller la position inactive de l'anneau d'étanchéité 23. Dans le premier mode de réalisation illustré par les figures 1, 2a et 2b, les bilames thermiques 21 ont la forme d'une fourchette solidarisée au niveau de l'une de ses extrémités sur le support 22 par des moyens de vissage. Au niveau de son extrémité libre, le bilame thermique 21 est solidaire des moyens de verrouillage/déverrouillage 25. Les moyens de verrouillage/déverrouillage 25 sont avantageusement des goupilles. Le support 22 comporte des alésages débouchants dans lesquels les goupilles 25 sont insérées et débouchent de part et d'autre du support 22 de manière à pouvoir coopérer avec l'anneau d'étanchéité 23. Les goupilles 25 sont montées coulissantes à l'intérieur des alésages de manière à pouvoir permettre leur déplacement axial lorsque les bilames thermiques 21 changent de forme lors de l'augmentation de température du débit de fuite. Selon un mode préférentiel de l'invention, le dispositif comporte trois bilames thermiques 21 réparties à 120° sur la circonférence de l'arbre pompe 10 du groupe motopompe primaire. En conditions normales de fonctionnement (figure 1 et 2a), le bilame thermique 21 est dans sa position froide, la température du débit de fuite étant inférieur à la température du seuil de changement de forme. Dans ces conditions, l'anneau d'étanchéité 23 est verrouillé dans une position inactive, tel qu'illustré par figure 1 ou la figure 2a, par la coopération d'un épaulement 26 situé sur la partie périphérique intérieur de l'anneau et des goupilles 25 et par la mise en tension de l'anneau 23 sur la goupille 25 par la mise en compression des moyens élastiques. En conditions accidentelles (figure 2b), l'augmentation de la tempéra- ture du débit de fuite a pour effet d'augmenter la température du bilame thermique 21 qui change alors de forme lorsque le bilame atteint sa tempé- rature seuil de changement de forme. Ainsi, dans cette situation le bilame thermique « cloque ». Le cloquage du bilame thermique 21 modifie la position de la goupille 25, solidaire du bilame thermique 21, de manière à la faire coulisser dans l'alésage du support 22 et à la désengager de l'épaulement 26 de l'anneau d'étanchéité 23. L'anneau d'étanchéité 23 n'étant plus con- traint axialement par les goupilles 25, les moyens élastiques 24 entrainent l'anneau 23 jusqu'au contact de la glace tournante 31 de joint n°2, assurant ainsi le blocage du chemin de fuite symbolisé par la flèche référencée F1. L'anneau d'étanchéité 23 est guidé axialement par son diamètre extérieur à l'intérieur de l'alésage de la pièce 32 support de l'équipage flottant du joint n °1 . Le blocage de l'anneau d'étanchéité 23 en position activée, c'est-à- dire au contact de la glace tournante 31, est assuré dans un premier temps par les moyens élastiques 24 puis également par l'effet autoclave induit par l'augmentation de la pression en amont du dispositif 20. La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation d'un dispositif d'étanchéité d'arrêt passif selon l'invention intégré dans un système de joints d'un groupe motopompe primaire. Le dispositif DEA illustré à la figure 3 est illustré en conditions normales de fonctionnement, ainsi que la position du moyen d'étanchéité 23' en conditions accidentelles. Les figures 4a et 4b illustrent une vue en coupe de deux états du dispositif d'étanchéité selon le deuxième mode de réalisation illustré à la figure 3. La figure 4a illustre plus particulièrement le deuxième mode de réali- sation du dispositif d'étanchéité lors des conditions normales de fonctionne- ment du groupe motopompe primaire, c'est-à-dire lorsque la température du dispositif est inférieure à une valeur seuil. La figure 4b illustre plus particulièrement le deuxième mode de réali- sation du dispositif d'étanchéité lors des situations accidentelles de fonction- nement du groupe motopompe primaire, c'est-à-dire lorsque la température du dispositif est supérieure à une valeur seuil. Le dispositif d'étanchéité à l'arrêt 40 comporte: - une pluralité de bilames thermiques 41 adaptés pour changer de forme à partir d'un seuil de température prédéterminé ; - un support 42 permettant de solidariser le dispositif sur le groupe motopompe primaire, et plus précisément sur le support de l'équipage flottant 32 du joint n°1 ; - un anneau d'étanchéité 23 ; - des moyens élastiques 24, tels que des ressorts de compression adaptés pour déplacer axialement l'anneau d'étanchéité ainsi que pour le contraindre sur la glace tournante 31 du joint n°2 ; - des moyens de verrouillage/déverrouillage 25 permettant de verrouiller ou de déverrouiller la position inactive de l'anneau d'étanchéité 23. Dans ce deuxième mode de réalisation le bilame thermique 41 a la forme d'un disque bloqué au niveau de son diamètre extérieur par le support 42. Le bilame thermique en forme de disque comporte un perçage en son centre apte à recevoir de façon solidaire les moyens de verrouil- lage/déverrouillage 25. Le support 42 comporte des alésages débouchant dans lesquels les moyens de verrouillage/déverrouillage 25 sont insérés et débouchent de part et d'autre du support 42 de manière à pouvoir coopérer avec l'anneau d'étanchéité 23. De façon similaire au mode de réalisation décrit précédemment, les moyens de verrouillage/déverrouillage 25 sont montés coulissant à l'intérieur des alésages de manière à pouvoir permettre leur déplacement axial lorsque les bilames thermiques 41 changent de forme lors de l'augmentation de température du débit de fuite. En conditions normales de fonctionnement (figure 3 et 4a), le bilame thermique 41 est dans sa position froide, la température du débit de fuite étant inférieure à la température du seuil de changement de forme. Dans ces conditions, l'anneau d'étanchéité 23 est verrouillé dans une position inactive par la coopération d'un épaulement 26 situé sur la partie périphérique intérieure de l'anneau et des moyens de verrouillage/déverrouillage 25. Ainsi dans cette situation de repos, i.e. en fonction- nement normal, l'anneau d'étanchéité 23 est maintenu verrouillé dans cette position et les moyens élastiques 24 sont comprimés. En conditions accidentelles (figure 4b), l'augmentation de la tempéra- ture du débit de fuite a pour effet d'augmenter la température du bilame thermique 41 qui change alors de forme lorsque le bilame atteint sa tempé- rature seuil de changement de forme. Ainsi, dans cette situation le bilame thermique « cloque ». Le cloquage du bilame thermique 41 modifie la position du moyen de verrouillage/déverrouillage 25 de manière à le faire coulisser dans l'alésage du support 42 et à le désengager de l'épaulement 26 de l'anneau d'étanchéité 23. L'anneau d'étanchéité 23 n'étant plus contraint axialement par les moyens de verrouillage/déverrouillage 25, les moyens élastiques 24 comprimés exercent une force axiale sur l'anneau 23 l'entrainant jusqu'au contact de la glace tournante 31 de joint n°2, assurant ainsi le blocage du chemin de fuite symbolisé par la flèche référencée F1. Le blocage de l'anneau d'étanchéité 23 en position activée (illustré par la référence 23' à la figure 3), c'est-à-dire au contact de la glace tour- nante 31, est assuré par les moyens élastiques 24 ainsi que par l'effet autoclave induit par l'augmentation de la pression en amont du dispositif 20. Le bilame thermique 21, 41 du dispositif d'étanchéité selon l'invention est réalisé de manière à ce qu'il présente un seuil de température de clo- quage compris entre 80°C et 200°C et avantageusement égal à 150°C. L'anneau d'étanchéité 23 du dispositif 20 ou 40 peut être réalisé dans un matériau polymère résistant à de hautes températures (i.e. supérieures à 300°C), tel que par exemple du PEEK ou un composite PEEK chargé de fibres de verre ou de carbone. L'utilisation d'un tel matériau permet d'obtenir à haute température, un anneau d'étanchéité dans un état caoutchoutique lui permettant de se déformer pour épouser la géométrie de la glace tournante du joint n°2 et ainsi assurer une meilleure qualité d'étanchéité. L'anneau d'étanchéité 23 du dispositif 20 ou 40 peut également être réalisé dans un matériau métallique. Dans ce cas, un débit de fuite résiduel sera attendu du fait des jeux existants entre l'anneau d'étanchéité 23 et les pièces en son contact. Toutefois, l'utilisation d'un matériau métallique per- met de sécuriser la tenue du dispositif et notamment de l'anneau d'étanchéité en cas d'activation dudit dispositif avant l'arrêt complet de la rotation de l'arbre de la pompe. L'anneau d'étanchéité 23 peut également être réalisé dans un maté- riau composite formé par un noyau métallique revêtu d'un matériau plus malléable que le noyau, tel que par exemple un polymère, du nickel ou en- core de l'argent. Le matériau périphérique plus malléable que le noyau permettra de combler les jeux existants entre les différentes pièces par déformation de la couche superficielle. En cas d'usure de la couche superficielle provoquée par la rotation de l'arbre, le noyau métallique plus dense permet de garantir une limitation du débit de fuite. REVENDICATIONS1. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire comportant au moins un bilame thermique (21, 41) adapté pour changer de forme à partir d'un seuil de température ; ledit bilame thermique (21, 41) présentant une première position, dite position froide, lorsque la température dudit bilame est inférieure au dit seuil de température, et une deuxième position, dite po- sition chaude, lorsque la température dudit bilame est supérieure au dit seuil de température ; ledit dispositif (20, 40) étant caractérisé en ce qu'il comporte : - un anneau d'étanchéité (23) présentant une position activée lorsque ledit au moins un bilame thermique (21, 41) est dans sa posi- tion chaude et présentant une position inactivée lorsque ledit au moins un bilame thermique est dans sa position froide ; - des moyens de verrouillage/déverrouillage (25) solidaires dudit au moins un bilame thermique (21, 41) et adaptés pour verrouiller ledit anneau d'étanchéité (23) dans sa position inactivée lorsque ledit au moins un bilame thermique (21, 41) est dans sa position froide et pour libérer ledit anneau d'étanchéité (23) lorsque ledit au moins un bilame thermique (21, 41) est dans sa position chaude ; - des moyens élastiques (24) adaptés pour contraindre ledit an- neau d'étanchéité (23) dans la position activée lorsque lesdits moyens de verrouillage/déverrouillage (25) sont déverrouillés. 2. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon la revendication précé- dente caractérisé en ce que ledit dispositif est adapté pour être intégré sur un système de joints d'un arbre de groupe motopompe primaire en service. 3. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit anneau (23) comporte un épaulement (26) adapté pour coopérer avec lesdits moyens de ver- rouillage/déverrouillage (25). 4. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit au moins un bilame thermique (21, 41) est adapté pour changer de forme à partir d'un seuil de température compris entre 80°C et 200°C, avantageusement égal à 150°C. 5. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que ledit anneau d'étanchéité (23) est réalisé dans un matériau polymère résistant à des températures supérieures à 300 °C. 6. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit anneau d'étanchéité (23) est réalisé en PEEK. 7. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications 5 à 6 caractérisé en ce que ledit anneau d'étanchéité (23) est réalisé en un composite à matrice PEEK chargé fibre de verre ou de carbone. 8. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit anneau d'étanchéité (23) est réalisé dans un matériau métallique. 9. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit anneau d'étanchéité (23) est un matériau composite formé par un noyau métallique et revêtu par un maté- riau plus malléable que ledit noyau métallique. 10. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon la revendication 9 caractérisé en ce que ledit matériau plus malléable que ledit noyau métal- ligue est un polymère ou du nickel ou de l'argent. 11. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens élastiques sont des (24) ressorts de compression. 12. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de bilames thermiques (21, 41) et une pluralité de moyens de verrouil- lage/déverrouillage (25) répartis sur le pourtour dudit anneau (23), lesdits bilames thermiques (21, 41) et lesdits moyens de verrouillage/déverrouillage (25) étant écartés angulairement les uns des autres d'un angle constant. 13. Dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif (20, 40) pour système de joints d'arbre de groupe motopompe primaire selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte trois bilames thermiques et trois moyens de verrouillage/déverrouillage (25). 14. Groupe motopompe primaire caractérisé en ce qu'il comporte : - un système de joints adapté pour réaliser une fuite contrôlée s'établissant le long d'un chemin de fuite agencé le long de l'arbre pompe du groupe motopompe primaire ;- un dispositif d'étanchéité à l'arrêt passif selon l'une des revendications précédentes adapté pour obturer au moins partiellement ledit chemin de fuite dudit système de joints lorsque ledit système de joint est défaillant et lorsque ledit anneau d'étanchéité est acti- vé, de manière à réaliser une fuite contrôlée.