Brevet FR3015590A1 — publié le 20150626

POMPE PRIMAIRE D'UN REACTEUR NUCLEAIRE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte à une pompe primaire présentant un dispositif de sureté pour alimenter temporairement la pompe primaire en cas de défaillance du réseau principal d'alimentation électrique. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0002] Les pompes primaires sont entraînées par des moteurs électriques triphasés alimentés par le réseau électrique principal. La perte de l'alimentation principale provoque l'arrêt quasi immédiat (de l'ordre de quelques secondes) des pompes primaires. La conséquence directe est la perte de la circulation du fluide primaire et donc du refroidissement du réacteur. A très court terme, la température du fluide primaire augmente entrainant également l'augmentation de la température des gaines du combustible. Cette augmentation de la température est très rapide sans circulation du fluide primaire et peut conduire à une crise d'ébullition et à une dégradation de la gaine combustible. [0003] II est toutefois prévu que les pompes primaires maintiennent 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 d'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] Une première solution consiste à stocker de l'énergie sous la forme d'une énergie mécanique lors du fonctionnement normal de la pompe primaire par le biais d'un volant d'inertie placé sur l'arbre reliant la pompe primaire au moteur. Ainsi, la masse en rotation du volant d'inertie permet de fournir 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 dizaines de 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 un réacteur nucléaire d'un 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. Enfin, le ralentissement d'une masse tournante est très rapide dans les premiers instants. En effet, en quelques secondes la vitesse, et donc le débit primaire, est divisée par un facteur deux, ce qui oblige lors de la conception à définir une vitesse initiale avant arrêt importante. Ainsi, en pratique le débit du fluide primaire est élevé en partie pour permettre ce ralentissement important lors de la perte des alimentations électriques principales. [0008] Une autre solution consiste à installer un pompage surdimensionné aux conditions nominales de fonctionnement, permettant ainsi de faire face aux diminutions brutales du débit du fluide primaire en tenant compte des contre- réactions et des actions de sûreté intervenant quelques dizaines de secondes après le début du transitoire. [0009] Une autre solution consiste à utiliser des moteurs secondaires ou auxiliaires, également appelés moteurs poneys, qui sont alimentés par une source d'alimentation auxiliaire différente de l'alimentation principale. [0010] Une telle solution est par exemple proposée dans le document EP 0017685. Dans ce document, le moteur poney servant de moteur secondaire est connecté au moteur primaire au moyen d'un embrayage mécanique, le moteur poney étant alimenté par une source secondaire, telle que par exemple des batteries ou un générateur diesel. L'embrayage mécanique est une roue libre associée à une masse inertielle permettant de diminuer le ralentissement de la pompe après enclenchement de l'embrayage. Ainsi, la solution présentée dans ce document ne s'affranchit pas de l'embrayage mécanique et de la présence d'un volant inertiel. EXPOSE DE L'INVENTION [0011] Dans ce contexte, l'invention vise à proposer une pompe primaire permettant de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus et permettant de s'affranchir des effets de l'utilisation d'un moyen de stockage d'énergie mécanique et d'un embrayage mécanique entre différents moteurs (moteur principal et moteurs poneys). [0012] A cette fin l'invention a pour objet une pompe primaire d'un réacteur nucléaire comportant : un arbre traversant ; un premier moteur électrique, dit moteur principal, alimenté par un réseau principal d'alimentation, ledit moteur principal permettant la mise en mouvement de l'arbre traversant ; un deuxième moteur électrique, dit moteur auxiliaire, alimenté par un réseau secondaire, le moteur auxiliaire permettant d'assurer la mise en mouvement de l'arbre traversant en cas de défaillance du réseau principal d'alimentation ou du moteur principal ; ladite pompe primaire étant caractérisée en ce que le moteur principal et le moteur auxiliaire sont deux moteurs électriques formés par un rotor et un stator, les rotors des deux moteurs étant solidaires de l'arbre traversant. [0013] On entend par le terme « solidaire » le fait que les rotors des deux moteurs ainsi que l'arbre traversant forment une unique pièce en mouvement. Les deux rotors sont donc couplés physiquement à l'arbre de façon permanente et sans l'utilisation d'un embrayage mécanique permettant de coupler ou de découpler le rotor du moteur auxiliaire de l'arbre traversant lors du fonctionnement normal de la pompe primaire. En d'autres termes, le moteur principal et le moteur auxiliaire partagent le même arbre mécanique sur lequel les deux rotors sont aménagés. [0014] A cet effet, l'arbre mécanique présente avantageusement deux sections distinctes, une première section formant le rotor du moteur principal, et une deuxième section formant le rotor du moteur auxiliaire. [0015] Grâce à l'invention, le stockage d'énergie mécanique pour assurer la fonction d'alimentation de secours est minimisé voire totalement supprimé. Ce qui permet de réaliser des gains sur l'encombrement, le dimensionnement et le coût des différents systèmes (coeur du réacteur, pompe primaire, pressurisation). [0016] L'invention a également pour objet un système d'alimentation d'une pompe primaire caractérisé en ce que le système comporte : une pompe primaire selon l'invention ; un dispositif d'entraînement principal formé par un réseau principal d'alimentation pour alimenter électriquement le moteur principal de la pompe primaire lors du fonctionnement normal; un dispositif d'entraînement auxiliaire formé par un réseau auxiliaire d'alimentation et un variateur de vitesse pour alimenter électriquement le moteur auxiliaire de la pompe primaire. [0017] Le système d'alimentation selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : lors du fonctionnement normal, le moteur auxiliaire est alimenté en continu, à une fréquence et/ou à une tension prédéterminée(s) de sorte que la mise en mouvement de l'arbre traversant de la pompe est assurée par le moteur principal ; le dispositif d'entraînement auxiliaire assure l'alimentation du moteur auxiliaire de manière à assurer la continuité de la mise en mouvement de l'arbre traversant en cas de défaillance du moteur principal ou du dispositif d'entrainement principal ; le dispositif d'entraînement principal et/ou le dispositif d'entraînement auxiliaire comporte un convertisseur statique d'énergie ; le réseau auxiliaire d'alimentation est indépendant du réseau principal d'alimentation ; le réseau auxiliaire d'alimentation est alimenté par une ou plusieurs sources formées par des batteries ou des supercondensateurs ; le moteur auxiliaire est utilisé pour recharger ou pour maintenir en charge lesdites sources du réseau auxiliaire d'alimentation lorsque la mise en mouvement de l'arbre traversant est assurée par le moteur principal ; le moteur auxiliaire de la pompe primaire est un moteur asynchrone piloté par le dispositif d'entraînement auxiliaire à une fréquence et à une tension prédéterminées qui sont inférieures à celles nécessaires pour entraîner la pompe primaire lorsque le moteur principal est en fonctionnement ; le moteur auxiliaire de la pompe primaire est un moteur asynchrone ou synchrone ou en courant continu piloté en couple par le dispositif d'entraînement auxiliaire de sorte que la mise en mouvement de l'arbre traversant de la pompe primaire assurée par le moteur principal en fonctionnement normal bascule en régulation de fréquence ou de vitesse lorsque la fréquence d'alimentation électrique du réseau principal d'alimentation ou la vitesse du moteur principal atteint un seuil bas. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0018] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence à la figure unique annexée qui illustre schématiquement une pompe primaire selon l'invention comportant un moteur double, alimenté par deux réseaux électriques différents. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0019] La figure illustre schématiquement une pompe primaire 100 selon l'invention comportant un double moteur 120, 130, alimenté par deux réseaux électriques différents : un réseau principal d'alimentation 10 et un réseau d'alimentation de secours 20 présentant des sources différentes 22 et indépendantes des sources (non représentées) du réseau principal d'alimentation 10. [0020] La pompe primaire 100 comporte un arbre traversant 101 relié en partie basse à la roue de la pompe primaire 102. [0021] Le moteur double de la pompe primaire 100 est formé par un moteur électrique principal 120 et par un moteur électrique auxiliaire 130, les deux moteurs partageant le même arbre, c'est-à-dire l'arbre traversant 101. [0022] Le moteur électrique principal est un moteur électrique alimenté par le réseau principal d'alimentation 10. Il est formé par : - un stator 121 présentant un bobinage relié au réseau principal d'alimentation 10 éventuellement via un variateur de vitesse 123, et éventuellement un convertisseur 11 ; - un rotor 122 solidaire de l'arbre traversant 101. [0023] Le moteur auxiliaire 130 est prévu pour assurer une circulation suffisante du liquide de refroidissement dans le coeur du réacteur pendant la période de temps nécessaire au déclenchement des actions de sûreté. Avantageusement, le moteur électrique auxiliaire (et son entraînement) peut n'être dimensionné que pour maintenir la mise en mouvement de l'arbre 101 de la pompe 100 pendant une période de temps donnée, en cas de défaillance du réseau principal d'alimentation 10, ou en cas de défaillance du moteur principal 120, ou en cas de défaillance du variateur de vitesse 123 ou encore du convertisseur 11. [0024] Ce moteur électrique auxiliaire 130 est également formé par : - un stator 131 présentant un bobinage relié au réseau auxiliaire d'alimentation 20 via un variateur de vitesse 133 et éventuellement un convertisseur 21 ; - un rotor 132 solidaire de l'arbre traversant 101. [0025] Les deux moteurs électriques 120, 130 peuvent être par exemple des 25 moteurs synchrones, ou des moteurs asynchrones, ou encore des moteurs à courant continu. [0026] Les deux rotors 122, 132 sont donc solidaires du même arbre traversant 101. Contrairement aux pompes primaires présentant deux moteurs, l'arbre traversant 101 selon l'invention ne présente aucun embrayage apte à coupler ou à découpler le moteur auxiliaire 130 de l'arbre traversant 101 lorsque celui-ci est entraîné par le moteur principal 120. [0027] Ainsi, l'arbre traversant 101 est constitué par une première section formant le rotor 122 du moteur principal 120 qui permet la mise en mouvement de l'arbre 101 lors du fonctionnement normal et une deuxième section formant le rotor 132 du moteur auxiliaire 130 qui assure la continuité de la mise en mouvement de l'arbre 101 en cas de défaillance de l'installation principale (par exemple du réseau principal d'alimentation 10, ou du moteur principal 120, ou du variateur 123, ou encore du convertisseur 11). [0028] La pompe primaire 100 selon l'invention comporte donc deux dispositifs d'entraînement distincts et indépendants : un dispositif d'entraînement principal formé par le réseau principal 10, le convertisseur 11, le variateur de vitesse principal 123 alimentant le moteur principal 120 et un dispositif d'entraînement auxiliaire formé par le réseau auxiliaire 20, le convertisseur 21, le variateur de vitesse auxiliaire 133 alimentant le moteur auxiliaire 130. [0029] Le dispositif d'entraînement principal de la pompe primaire 100 est dimensionné (par exemple en puissance) pour entraîner en permanence le système de pompage de la pompe primaire 100 lors des situations dites normales. Le dispositif d'entraînement auxiliaire de la pompe primaire 100 peut être dimensionné (par exemple en puissance ou en thermique) uniquement pour entraîner le système de pompage de la pompe 100 en cas de défaillance du dispositif d'entraînement principal. Le dispositif d'entraînement auxiliaire peut donc être d'une conception plus simple, et plus robuste que le dispositif d'entraînement principal. Par exemple, le variateur de vitesse 133 du dispositif d'entraînement auxiliaire n'a pas besoin de réduire les harmoniques dans le moteur par la mise en oeuvre par exemple d'un dispositif de découpage hautes fréquences (HF) par modulation de largeur d'impulsion et de filtre. Le variateur de vitesse 133 peut, par exemple, simplement alimenter en signal carré basse fréquence le moteur auxiliaire 130. [0030] Avantageusement, le moteur auxiliaire 130 est alimenté en permanence par le réseau auxiliaire d'alimentation 20 via le variateur de vitesse 133 avec des paramètres de tension et de fréquence de sorte que la mise en mouvement de l'arbre traversant la pompe est assurée uniquement par le moteur principal 120, c'est-à-dire que le couple d'entrainement du moteur auxiliaire 130 est nul. L'alimentation permanente du moteur auxiliaire 130 permet de s'affranchir d'une longue phase de démarrage du moteur auxiliaire lors de la détection de défaillance du réseau principal et d'un risque supplémentaire de défaillance du moteur auxiliaire 130 lors de cette phase de démarrage. [0031] Pendant le fonctionnement normal de la pompe primaire 100, seul le moteur principal 120 supporte la charge du système de pompage. En cas de défaillance, ou simplement en cas de baisse des paramètres (tension, fréquence) de pilotage du moteur principal, le moteur auxiliaire récupère la charge et permet d'assurer le refroidissement nécessaire. [0032] Le pilotage du moteur auxiliaire 130 peut se faire en pilotage direct en fonction de la tension d'alimentation (tension du réseau auxiliaire 20 ou des sources d'alimentation 22) ou en fonction de l'énergie disponible dans les sources d'alimentation 22. [0033] La décroissance de la vitesse du moteur auxiliaire 130 est pilotée électroniquement suivant les besoins et en fonction du temps de déclenchement des actions de sûreté. [0034] Les sources 22 du réseau auxiliaire 20 peuvent être des systèmes de stockage d'énergie électrique comme par exemple des batteries, ou encore des supercondensateurs. De telles sources de stockage d'énergie 22 sont moins encombrantes et moins lourdes qu'un stockage d'énergie sous la forme d'énergie mécanique par l'utilisation d'un volant inertiel. [0035] Avantageusement, lors du fonctionnement normal de la pompe primaire 100, le moteur auxiliaire 130 peut être utilisé pour recharger ou pour maintenir en charge les moyens de stockage d'énergie 22. [0036] L'invention présente également les avantages suivants : - la variation de charge du moteur auxiliaire peut être utilisée comme détecteur de la perte ou de la défaillance du réseau principal. - la propagation des défaillances en mode commun entre les deux alimentations est découplée par l'inertie de l'arbre mécanique de la pompe ; - la pompe primaire telle que décrite est particulièrement adaptée pour une utilisation rotor noyé. REVENDICATIONS1. Pompe primaire (100) d'un réacteur nucléaire comportant : - un arbre traversant (101) ; - un premier moteur électrique (120), dit moteur principal, alimenté par un réseau principal d'alimentation (10), ledit moteur principal permettant la mise en mouvement de l'arbre traversant (101) ; - un deuxième moteur électrique (130), dit moteur auxiliaire, alimenté par un réseau secondaire (20), le moteur auxiliaire (130) permettant d'assurer la mise en mouvement de l'arbre traversant (101) en cas de défaillance du réseau principal d'alimentation (10) ou du moteur principal (120) ; ladite pompe primaire (100) étant caractérisée en ce que le moteur principal (120) et le moteur auxiliaire (130) sont deux moteurs électriques formés par un rotor (122; 132) et un stator (121, 131), les rotors (122, 132) des deux moteurs (120, 130) étant solidaires de l'arbre traversant (101). 2. Système d'alimentation d'une pompe primaire caractérisé en ce que le système comporte : - une pompe primaire selon l'une des revendications précédentes ; - un dispositif d'entraînement principal formé par un réseau principal d'alimentation (10) pour alimenter électriquement le moteur principal (120) de la pompe primaire (100) lors du fonctionnement normal; - un dispositif d'entraînement auxiliaire formé par un réseau auxiliaire d'alimentation (20) et un variateur de vitesse (133) pour alimenter électriquement le moteur auxiliaire (130) de la pompe primaire (100). 3. Système d'alimentation d'une pompe primaire selon la revendication 2 caractérisé en ce que lors du fonctionnement normal, le moteur auxiliaire (130) est alimenté en continu, à une fréquence et/ou à une tension prédéterminée(s) de sorte que la mise en mouvement de l'arbre traversant (101) de la pompe est assurée par le moteur principal (120).4. 5. 6. 7. 8. 9. Système d'alimentation d'une pompe primaire selon l'une des revendications 2 à 3 caractérisé en ce que le dispositif d'entraînement auxiliaire assure l'alimentation du moteur auxiliaire de manière à assurer la continuité de la mise en mouvement de l'arbre traversant (101) en cas de défaillance du moteur principal (120) ou du dispositif d'entrainement principal. Système d'alimentation d'une pompe primaire selon l'une des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que le dispositif d'entraînement principal et/ou le dispositif d'entraînement auxiliaire comporte un convertisseur statique d'énergie (11, 21) et/ou un variateur (123). Système d'alimentation d'une pompe primaire selon l'une des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que le réseau auxiliaire d'alimentation (20) est indépendant du réseau principal d'alimentation (10). Système d'alimentation d'une pompe primaire selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que le réseau auxiliaire d'alimentation (20) est alimenté par une ou plusieurs sources (22) formées par des batteries ou des supercondensateurs. Système d'alimentation d'une pompe primaire selon la revendication 7 caractérisé en ce que le moteur auxiliaire (130) est utilisé pour recharger ou pour maintenir en charge lesdites sources (22) du réseau auxiliaire d'alimentation (20) lors que la mise en mouvement de l'arbre traversant (101) est assurée par le moteur principal (120). Système d'alimentation d'une pompe primaire selon l'une des revendications 2 à 8 caractérisé en ce que le moteur auxiliaire (130) de la pompe primaire (100) est un moteur asynchrone piloté par le dispositif d'entraînement auxiliaire à une fréquence et à une tension prédéterminées qui sont inférieures à celles nécessaires pour entraîner la pompe primaire (100) lorsque le moteur principal (120) est en fonctionnement.10. Système d'alimentation d'une pompe primaire selon l'une des revendications 2 à 8 caractérisé en ce que le moteur auxiliaire (130) de la pompe primaire (100) est un moteur asynchrone ou synchrone ou en courant continu piloté en couple par le dispositif d'entraînement auxiliaire de sorte que la mise en mouvement de l'arbre traversant de la pompe primaire assurée par le moteur principal (120) en fonctionnement normal bascule en régulation de fréquence ou de vitesse lorsque la fréquence d'alimentation électrique du réseau principal d'alimentation (10) ou la vitesse du moteur principal (120) atteint un seuil bas.