Brevet FR3013498A1 — publié le 20150522

DISPOSITIF D'ALIMENTATION DE SURETE ET PROCEDE DE PILOTAGE D'UN SYSTEME DE REFROIDISSEMENT D'UN REACTEUR NUCLEAIRE EN CAS DE PERTE D'ALIMENTATION DU RESEAU PRINCIPAL DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte à un dispositif d'alimentation de sûreté et à un procédé de pilotage d'un système de refroidissement, tel qu'une pompe primaire, d'un réacteur nucléaire adaptés pour alimenter la pompe primaire de refroidissement en cas de défaillance du réseau principal d'alimentation. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Les pompes primaires sont entraînées par des moteurs asynchrones triphasés alimentés par le réseau électrique principal. En cas de perte totale des alimentations électriques, les pompes primaires ralentissent jusqu'à leur arrêt. En effet, leur puissance ne permet pas, à coût raisonnable, de les alimenter par le réseau secouru par des diesels. [0003] On demande toutefois, aux pompes primaires de maintenir temporairement un débit suffisant dans le coeur pour éviter un échauffement excessif du combustible consécutif au phénomène de caléfaction. La décroissance du flux thermique est en effet en retard par rapport à celle du débit primaire compte tenu des temps d'intervention du système d'arrêt d'urgence : délai d'instrumentation, temps de chute des grappes, etc. [0004] C'est pourquoi, les pompes primaires de refroidissement comportent un dispositif permettant, en cas de perte totale de l'alimentation électrique, de continuer à assurer la circulation du liquide de refroidissement primaire dans le coeur du réacteur, au moins pendant une période de temps suffisamment longue pour couvrir le temps de déclenchement des actions de sûreté. [0005] Classiquement, ces dispositifs sont formés par un volant d'inertie placé sur l'arbre reliant la pompe primaire au moteur afin d'assurer une inertie suffisante pour continuer à assurer la circulation du fluide primaire, au moins de manière dégradée, pendant la période de temps correspondant au déclenchement des actions de sûreté, en général de l'ordre de plusieurs secondes. [0006] Cependant, l'utilisation de ces groupes inertiels conduit à augmenter de manière significative les masses et les volumes des rotors des pompes primaires, ce qui devient problématique pour les programmes contraints en encombrement. [0007] Ces groupes inertiels sont également générateurs de bruit et donc constituent des sources d'indiscrétion acoustique pénalisantes dans certaines utilisations stratégiques de ces réacteurs, comme par exemple pour un réacteur nucléaire de sous-marin. En outre, l'intégration de tels volants d'inertie est problématique dans un véhicule en mouvement, notamment à cause des forces de Coriolis engendrées. [0008] Enfin, ces groupes inertiels ont un coût de maintenance relativement important, les volants d'inertie étant des pièces mécaniques mobiles sollicitées pendant toute la durée de vie du réacteur nucléaire, il est par conséquent nécessaire d'en assurer la maintenance de manière régulière. [0009] De manière à s'affranchir des problèmes précités, il est connu de remplacer le volant d'inertie mécanique par une alimentation électrique secondaire (ou de sûreté) qui est indépendante de l'alimentation du réseau principal et qui permet d'alimenter pendant quelques secondes, la pompe primaire. Le brevet US5610958 décrit un tel dispositif d'alimentation de sûreté de la pompe primaire de refroidissement alimentant la pompe primaire en cas de défaillance du réseau électrique principal. Le dispositif de sûreté est formé par un convertisseur de tension (continue-alternatif), un régulateur de tension ainsi que des moyens de stockage d'énergie à supraconduction permettant d'emmagasiner de l'énergie en d'en restituer, ainsi qu'un contrôleur permettant de contrôler et de piloter la vitesse de rotation de la pompe primaire en fonction d'un profil de vitesse stocké dans des moyens de stockage. [0010] Le dispositif et le profil de pilotage décrit dans le document US5610958 permettent de maintenir durant plusieurs secondes après la défaillance du réseau principal, le régime de rotation de la pompe primaire en fonctionnement normal avant d'amorcer une décroissance constante dans un second temps. Compte tenu de la puissance des pompes primaires, un tel profil de pilotage nécessite par conséquent une capacité de stockage d'énergie très importante pour pouvoir maintenir durant plusieurs secondes un régime identique au régime en fonctionnement normal. Or, il est toujours problématique de stocker de grandes quantités d'énergie. En effet, les coûts d'investissement et d'exploitation de ce type d'installation de stockage sont toujours importants et freinent par conséquent leur développement. De plus, il est nécessaire de disposer de suffisamment d'espace sur site pour entreposer à proximité du réacteur les différents moyens de stockage d'énergie. EXPOSE DE L'INVENTION [0011] Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif d'alimentation de sûreté et un procédé de pilotage d'un système de refroidissement d'un réacteur nucléaire adapté pour alimenter le système de refroidissement en cas de défaillance de l'alimentation principale permettant de minimiser la quantité d'énergie à stocker sur site, et par conséquent la quantité de moyens de stockage nécessaire tout en garantissant une fiabilité et un débit circulation du liquide de refroidissement primaire au moins équivalent à une pompe primaire équipée d'un moyen d'inertie mécanique, de type volant inertiel. [0012] A cette fin, l'invention a pour objet un procédé de pilotage pour alimenter le moteur d'une pompe primaire à la suite d'une perte d'alimentation du réseau principal au moyen d'un dispositif d'alimentation électrique de sûreté, le procédé comportant : une première phase consistant à alimenter électriquement le moteur de la pompe primaire au moyen du dispositif d'alimentation de sûreté, dès la perte d'alimentation du réseau principal à l'instant to, durant cette première phase le dispositif d'alimentation de sûreté contrôle la vitesse de rotation de la pompe primaire et pilote une diminution progressive et linéaire de la vitesse de rotation de la pompe primaire en fonction du temps dès la perte d'alimentation du réseau principal ; une deuxième phase consistant à couper toute alimentation électrique de la pompe primaire, la décélération de la vitesse de rotation de la pompe primaire durant cette deuxième phase étant uniquement fonction de l'inertie propre de l'arbre de la pompe primaire. [0013] Ainsi, le procédé de pilotage selon l'invention permet d'assurer une circulation suffisante du liquide de refroidissement dans le coeur jusqu'au déclenchement des actions de sécurité tout en optimisant l'encombrement du dispositif par la limitation des moyens de stockage sur site. [0014] Avantageusement, la vitesse de rotation de la pompe primaire à la fin de la première phase est comprise entre 50% et 90% de la vitesse de fonctionnement normal au moment de la perte d'alimentation du réseau principal et préférentiellement entre 70% et 80%. [0015] Avantageusement, la première phase a une durée comprise entre 10 et 15 secondes. [0016] Avantageusement, la deuxième phase a une durée comprise entre 1 et 10 2 secondes. [0017] L'invention a également pour objet un dispositif d'alimentation de sûreté pour la mise en oeuvre du procédé de pilotage de la pompe primaire caractérisé en ce qu'il comporte : des moyens de stockage d'énergie ; 15 un dispositif électronique de puissance contrôlant les échanges d'énergie entre les moyens de stockage et l'alimentation de la pompe primaire en fonction d'un profil de vitesse déterminé ; des moyens pour recharger en énergie les moyens de stockage d'énergie. [0018] Ainsi, le dispositif d'alimentation de sûreté et le procédé de pilotage 20 selon l'invention permettent de s'affranchir de l'utilisation de pièces inertielles génératrices de bruit et nécessitant des opérations de maintenance récurrentes. La suppression de ces pièces inertielles permet donc de diminuer les opérations de maintenance sur site et de rendre les installations moins bruyantes. [0019] L'invention a également pour avantage d'obtenir une souplesse de 25 réglages de la décélération par rapport aux solutions de l'état de la technique avec des volants inertiels. [0020] Avantageusement, les moyens de stockage d'énergie sont des batteries électrochimiques ou des supercondensateurs. [0021] Avantageusement, le dispositif électronique de puissance et lesdits 30 moyens pour recharger en énergie les moyens de stockage sont regroupés dans un unique convertisseur d'alimentation de sûreté. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0022] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - la figure 1, une vue schématique d'un premier exemple de réalisation du dispositif d'alimentation de la pompe primaire selon l'invention alimentant la pompe en cas de perte de l'alimentation principale du réseau électrique ; - la figure 2, un graphique illustrant le profil de vitesse de rotation de la pompe primaire en fonction de temps lors du pilotage de la pompe primaire par le dispositif d'alimentation selon l'invention suite à une perte de l'alimentation électrique principale ; - la figure 3, une vue schématique d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif d'alimentation de la pompe primaire selon l'invention alimentant la pompe en cas de perte de l'alimentation principale du réseau électrique. [0023] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0024] La figure 1 illustre un premier mode de réalisation du dispositif d'alimentation de sûreté d'une pompe primaire d'un réacteur nucléaire de type à eau sous pression, permettant de piloter la vitesse de rotation de la pompe primaire lors de la perte de l'alimentation électrique principale jusqu'au déclenchement des actions de sûreté. [0025] Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif d'alimentation 100 est formé par. - des moyens de stockage 130 positionnés en aval d'un convertisseur d'alimentation 110 relié au réseau électrique d'alimentation principal 200 pour l'alimentation de la pompe primaire 120 en fonctionnement normal, les moyens de stockage 130 étant formés par des supercondensateurs ou encore des batteries électrochimiques ; - un convertisseur de sûreté 140 positionné entre les moyens de stockage 130 et le moteur de la pompe primaire 120 de manière à pouvoir alimenter le moteur asynchrone de la pompe primaire 120 en cas de perte de l'alimentation principal. Ce convertisseur de sûreté 140 est un convertisseur réversible permettant de réaliser la charge contrôlée des moyens de stockage en fonctionnement normal, i.e. lorsque la pompe primaire est alimentée par le réseau principal d'alimentation 200. [0026] Dans ce premier mode de réalisation les deux convertisseurs 10 (convertisseur d'alimentation 110 et convertisseur de sûreté 140) sont dimensionnés par rapport à la puissance nominale de la pompe primaire 120. [0027] Ce premier mode de réalisation a pour avantage de séparer la fonction « alimentation principale » de la pompe et la fonction « alimentation de secours » par la présence des deux convertisseurs séparés et indépendants. 15 [0028] Le convertisseur de sûreté 140 est un dispositif électronique de puissance contrôlant les échanges d'énergie entre les moyens de stockage 130 et l'alimentation électrique du moteur de la pompe primaire 120. Ainsi, le convertisseur de sûreté 140 permet de contrôler l'alimentation et la vitesse de rotation de la pompe primaire de manière à suivre un profil de vitesse 20 prédéterminé. [0029] Le convertisseur de sûreté 140 contrôle l'alimentation de la pompe primaire selon le profil de vitesse illustré à la figure 2. [0030] Le contrôle de l'alimentation de la pompe 120 par le convertisseur de sûreté 140 débute dès la perte de l'alimentation électrique principale représentée 25 à l'instant to sur le graphique de la figure 2. Avant l'instant to, le régime de la pompe primaire est stationnaire et correspond au fonctionnement normal de la pompe primaire. Ce régime correspond à 100% de la vitesse de rotation nominale, ou de la vitesse au moment de la perte de l'alimentation principale. [0031] A partir de l'instant to, le pilotage de la pompe primaire est réalisé en 30 deux phases sur deux périodes de temps P1 et P2. [0032] Durant la première phase P1, débutant dès la perte d'alimentation principale (instant to), le dispositif selon l'invention opère une décélération progressive et linéaire de manière contrôlée en alimentant le moteur de la pompe primaire 120 via le contrôleur de sûreté 140 et les moyens de stockage d'énergie 130 qui fournissent l'énergie suffisante pour alimenter le moteur en conséquence. A la fin de cette première phase qui dure environ une dizaine de seconde, typiquement entre 10 et 15 secondes, la vitesse de rotation du moteur de la pompe primaire est comprise entre environ 50% et environ 90% de la vitesse nominale, ou de la vitesse au moment de la perte de l'alimentation principale, et avantageusement entre 70% et 80%. [0033] L'avantage de la décélération contrôlée de cette première phase P1, en comparaison avec un maintien à 100% de la vitesse nominale connu de l'état de la technique, est le gain énergétique réalisé qui se traduit par la réduction de la quantité de moyens de stockage nécessaires sur site et du coût de l'installation. [0034] Durant la deuxième phase P2 débutant à l'instant ti (environ une dizaine de seconde après to), l'alimentation de la pompe primaire est coupée de manière à laisser libre la décélération du moteur de la pompe primaire. Durant cette deuxième phase P2, la décélération du moteur est uniquement fonction de l'inertie propre de l'arbre de la pompe primaire 120. Cette deuxième phase est très rapide par rapport à la première. Elle est de l'ordre de quelques secondes, typiquement de l'ordre de 1 à 2 secondes. [0035] Ainsi, le profil de vitesse proposé à la figure 2 permet d'assurer une circulation du liquide de refroidissement dans le coeur suffisante jusqu'au déclenchement des actions de sécurité tout en optimisant l'encombrement et les coûts de réalisation notamment par la réduction de la quantité des moyens de stockage ayant un coût important nécessaire pour assurer cette fonction. [0036] Bien entendu, le convertisseur 110 est un convertisseur continu/alternatif dans le cas d'un réseau principal 200 continu ou un convertisseur alternatif/alternatif dans le cas d'un réseau principal 200 alternatif. Le convertisseur de sûreté 140 est un convertisseur continu/alternatif. [0037] La figure 3 illustre un deuxième exemple de réalisation du dispositif d'alimentation électrique d'une pompe primaire d'un réacteur nucléaire de type à eau sous pression, permettant de piloter la vitesse de rotation de la pompe primaire selon le profil de vitesse illustré à la figure 2. [0038] Ce deuxième mode de réalisation est identique au premier à l'exception de ce qui va être détaillé par la suite. [0039] Dans ce deuxième de réalisation, les moyens de stockage 130 sont placés directement en entrée du convertisseur d'alimentation principal 110 de la pompe primaire 120. [0040] Ce deuxième mode de réalisation permet de s'affranchir d'un deuxième convertisseur d'alimentation dimensionné sur la puissance nominale de la pompe primaire, un simple chargeur dimensionné sur la puissance de charge des moyens de stockage est suffisant, permettant ainsi de réduire davantage le coût et l'encombrement d'une telle installation. [0041] Ce deuxième mode de réalisation nécessite la mise en place d'un dispositif « anti-retour » 160 vers le réseau principal 200, comme par exemple des diodes pour un réseau continu, ou encore un autre dispositif classique adapté pour un réseau alternatif. [0042] Ce deuxième mode de réalisation a donc pour avantage de ne présenter qu'un seul convertisseur dimensionné à la puissance nominale de la pompe primaire, le convertisseur 110 contrôle alors l'alimentation de la pompe primaire 120 en fonctionnement normal ainsi qu'en cas de perte de l'alimentation principale, via les moyens de stockage 130, de manière à alimenter la pompe primaire en fonction du profil de vitesse illustré à la figure 2. REVENDICATIONS1. Procédé de pilotage pour alimenter le moteur d'une pompe primaire (120) à la suite d'une perte d'alimentation du réseau principal (200) au moyen d'un dispositif d'alimentation électrique de sûreté (100), le procédé comportant : - une première phase (P1) consistant à alimenter électriquement le moteur de la pompe primaire (120) au moyen du dispositif d'alimentation de sûreté (100), dès la perte d'alimentation du réseau principal (200) à l'instant to, durant cette première phase (P1) le dispositif d'alimentation de sûreté (100) contrôle la vitesse de rotation de la pompe primaire (120) et pilote une diminution progressive et linéaire de la vitesse de rotation de la pompe primaire (120) en fonction du temps dès la perte d'alimentation du réseau principal ; - une deuxième phase (P2) consistant à couper toute alimentation électrique de la pompe primaire, la décélération de la vitesse de rotation de la pompe primaire (120) durant cette deuxième phase étant uniquement fonction de l'inertie propre de l'arbre de la pompe primaire (120). 2. Procédé de pilotage selon la revendication précédente caractérisé en ce que la vitesse de rotation de la pompe primaire à la fin de la première phase (P1) est comprise entre 50% et 90% de la vitesse de fonctionnement normal au moment de la perte d'alimentation du réseau principal (200). 3. Procédé de pilotage selon la revendication précédente caractérisé en ce que la vitesse de rotation de la pompe primaire à la fin de la première phase (P1) est comprise entre 70% et 80% de la vitesse de fonctionnement normal au moment de la perte d'alimentation du réseau principal (200) 4. Procédé de pilotage selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la première phase (P1) a une durée comprise entre 10 et 15 secondes. 5. Procédé de pilotage selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la deuxième phase (P2) a une durée comprise entre 1 et 2 secondes. 6. Dispositif d'alimentation de sûreté (100) d'une pompe primaire (120) pour la mise en oeuvre du procédé de pilotage de la pompe primaire selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens de stockage d'énergie (130) ; - un dispositif électronique de puissance (110) contrôlant les échanges d'énergie entre les moyens de stockage et l'alimentation de la pompe primaire en fonction d'un profil de vitesse déterminé ; - des moyens pour recharger en énergie les moyens de stockage (150). 7. Dispositif d'alimentation de sûreté (100) d'une pompe primaire (120) selon la revendication précédente caractérisé en ce que les moyens de stockage d'énergie (130) sont des batteries électrochimiques ou des supercondensateurs. 8. Dispositif d'alimentation de sûreté (100) d'une pompe primaire (120) selon l'une des revendications 6 à 7 caractérisé en ce que le dispositif électronique de puissance et lesdits moyens pour recharger en énergie les moyens de stockage sont regroupés dans un unique convertisseur d'alimentation de sûreté (140).