Brevet FR3067513A1 — publié le 20181214

GLACE DE GARNITURE D'ETANCHEITE D'UN SYSTEME D'ETANCHEITE D'ARBRE DE GROUPE MOTOPOMPE PRIMAIRE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention se rapporte au domaine des groupes motopompes primaires de réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP). [0002] Plus précisément, l'invention concerne les glaces, également appelées faces actives, de la garniture d'étanchéité du joint n°1 d'un système d'étanchéité d'arbre de groupe motopompe primaire d'un réacteur nucléaire. ETAT DE LA TECHNIQUE [0003] Dans les réacteurs nucléaires à eau sous pression, le groupe motopompe primaire, appelé également plus simplement pompe primaire, assure la circulation d'eau dans le circuit primaire du réacteur. Un système d'étanchéité dynamique de l'arbre assure l'étanchéité entre le circuit primaire et l'atmosphère. Ce système d'étanchéité d'arbre de groupe motopompe primaire est un système à fuite contrôlée. Il comporte trois joints disposés en série. Chaque joint comporte deux glaces qui assurent l'étanchéité principale. Une des glaces, appelée glace tournante, est montée dans un ensemble tournant solidaire de l'arbre, l'autre glace, dite glace flottante, est montée dans un ensemble ne tournant pas mais qui est libre de se déplacer axialement pour suivre les déplacements axiaux éventuels de l'arbre. [0004] Le joint n°1 assure la plus grande partie de la chie de pression entre le circuit primaire et l'atmosphère. Il permet de passer d'une pression de 155 bars à une pression de 2 bars environ. Ce joint n°1 est un joint de type hydrostatique, à film d'eau d'une épaisseur de l'ordre de 10 um. La géométrie particulière des faces des glaces assure l'étanchéité principale et permet, à l'arrêt comme en rotation, un ajustement automatique de leur écartement. [0005] Le joint n°1 fonctionne avec un débit de fuite maitisé, de l'ordre de 600 litres par heure en fonctionnement nominal, grâce au profil spécifique usiné sur ses faces actives. Le fluide primaire chaud est confiné dans le circuit primaire grâce à une injection d'eau froide en amont du joint n°1 à une pression légèrement supérieure à celle du circuit primaire. Une partie de cette eau froide 2 passe dans le circuit primaire et une partie passe dans le joint n°1 de manière à le refroidir pour maintenir une température toujours inférieure à 100°C. [0006] Historiquement, les glaces du joint n°1 étaient en alumine, mais elles sont désormais le plus souvent en nitrure de silicium plus résistant aux 5 frottements. [0007] En situation accidentelle, de type SBO (pour Station Black Out en langue anglaise), correspondant à une perte totale des alimentations électriques de la centrale nucléaire, les circuits de refroidissement du système d'étanchéité d'arbre de groupe motopompe primaire deviennent inopérants et 10 provoquent la perte de l'injection d'eau froide à haute pression en amont du joint n°1 et du refroidissement de la barrière theimique de la pompe. De ce fait, l'eau chaude du circuit primaire remonte jusqu'aux joints du système d'étanchéité d'arbre. [0008] La demanderesse a identifié lors de l'étude de ces scénarios que le 15 passage d'eau chaude entre les glaces en nitrure de silicium du joint n°1 provoque leur dégradation. En effet, dans un milieu en eau surchauffée à une température supérieure à 200°C et sous pression (piession supérieure ou égale à la pression de vapeur saturante de l'eau), ce qui correspond à une situation accidentelle de type SBO, les glaces en nitrure de silicium subissent une 20 dégradation et une décomposition. En effet, sous les conditions de SBO, le nitrure de silicium se transforme en ammoniaque et en silice. Cela a pour conséquence une dissolution et érosion des glaces qui perdent de la matière en surface, le profil des glaces évolue en conséquence et provoque donc une forte augmentation du débit de fuite du joint n°1 n'assuiant plus sa fonction. 25 [0009] Cette situation est problématique car elle peut rapidement mener au découvrement du coeur si les mesures palliatives nécessaires ne sont pas prises à temps par l'exploitant. EXPOSE DE L'INVENTION [0010] Dans ce contexte l'invention vise à remédier aux inconvénients de 30 l'état de la technique en proposant une solution efficace, facile à mettre en oeuvre, évitant la dégradation des glaces en nitrure de silicium du joint n°1 du 3 système d'étanchéité d'arbre de groupe motopompe primaire d'un réacteur nucléaire, notamment en conditions accidentelles de perte de toutes les sources de refroidissement du système de joints d'arbre (situation type SBO). [0011] Pour ce faire, l'invention propose de recouvrir la surface des glaces 5 du joint n°1 d'une couche protectrice particulière conférant une protection hydrothermale au nitrure de silicium empêchant ainsi sa dissolution en conditions normales de fonctionnement et en situation accidentelle de type SBO. [0012] Plus précisément, l'invention propose une glace en nitrure de silicium 10 pour système d'étanchéité d'arbre de groupe motopompe primaire d'un réacteur nucléaire destinée à assurer l'étanchéité entre le circuit primaire et l'atmosphère, ladite glace présentant une surface recouverte par une couche protectrice réalisée dans un matériau non poreux et inerte chimiquement à une eau surchauffée à une température supérieure ou égale à 200°C et sous 15 pression (pression supérieure ou égale à la pression de vapeur saturante de l'eau). [0013] L'invention consiste donc à utiliser une couche protectrice inerte et non dégradable en milieu aqueux et dans des conditions accidentelles de type SBO (température au niveau des glaces supérieure à 200°C), et capable 20 d'empêcher la dégradation et l'érosion de la surface des glaces en nitrure de silicium qui se transforme en silice dans des conditions de températures supérieures à 200°C. La couche protectrice selon 'invention résiste à l'érosion aussi bien en conditions normales de fonctionnement qu'en conditions de type SBO. 25 [0014] Grâce à l'adjonction d'une couche protectrice selon l'invention sur les glaces en nitrure de silicium, celles-ci présentent désormais une résistance hydrothermale aux conditions de type SBO et ne se dégradent plus. [0015] Par conséquent, cette protection contre la dégradation des glaces en nitrure répond à une problématique spécifique, différente des problématiques 30 d'encrassement des glaces connues par ailleurs. 4 [0016] La glace selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prise individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - la couche protectrice présente des propriétés d'adhérence avec le 5 nitrure de silicium de ladite glace ; - la couche protectrice présente des propriétés de résistance chimique à l'acide borique et/ou à l'hydroxyde de lithium et/ou à l'hydroxyde de potassium ; - la couche protectrice présente une épaisseur homogène ; la couche 10 protectrice est uniforme en épaisseur et respecte la forme du support ; - la couche protectrice présente une dureté permettant de résister aux frottements (notamment entre les deux faces actives des glaces) et aux rayures ; - la couche protectrice présente une rugosité équivalente à la surface 15 active de ladite glace ; - la couche protectrice présente des propriétés de résistance au choc thermique ; - la couche protectrice est en diamant micro- ou nanocristallin ou encore en oxyde de zirconium ; 20 - ladite couche protectrice présente une épaisseur de quelques micromètres ; par exemple entre 0,1 et 30 micromètres et avantageusement entre 0,2 et 10 micromètres ; et préférentiellement entre 0,2 et 2 pm ; - la surface active de ladite glace destinée à être en contact avec un film 25 d'eau est recouverte entièrement par une couche protectrice ; - la couche protectrice résiste à l'érosion causée par l'eau en conditions normales et en conditions accidentelles de type SBO ; - la couche protectrice ne perturbe pas le fonctionnement normal de la glace ; 5 - la couche protectrice résiste à toutes les conditions que peut subir le joint n°1 en fonctionnement normal ou en situationaccidentelle ; - ladite glace est une glace flottante ou une glace tournante ; [0017] L'invention a également pour objet une garniture d'étanchéité 5 comportant au moins une glace selon l'invention. [0018] L'invention a également pour objet un système d'étanchéité d'arbre de groupe motopompe primaire d'un réacteur nucléaire comportant au moins une garniture d'étanchéité selon l'invention. [0019] L'invention a également pour objet un groupe motopompe primaire 10 d'un réacteur nucléaire comportant un système d'étanchéité d'arbre selon l'invention. [0020] L'invention a également pour objet un réacteur nucléaire à eau pressurisée comportant un groupe motopompe primaire selon l'invention. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 15 [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit, en référence aux figures annexées. [0022] La figure 1 est une vue en coupe d'un système d'étanchéité d'un arbre de groupe motopompe primaire selon un mode de réalisation de l'invention. 20 [0023] La figure 2 est une vue schématique en coupe d'un joint n°1 selon un mode de réalisation de la figure 1. [0024] La figure 3 est une représentation schématique en coupe des glaces du joint n°1 selon un mode de réalisation de l'invention. [0025] La figure 4a est une image réalisée au microscope électronique 25 illustrant l'état de la surface d'un échantillon de la glace d'un joint n°1 comportant une couche protectrice selon l'invention après une exposition à un milieu aqueux à 290°C et sous pression. 6 [0026] La figure 4b est une image réalisée au microscope électronique illustrant l'état de la surface d'un échantillon de la glace d'un joint n°1 sans couche protectrice après une exposition à un milieu aqueux à 290°C et sous pression. 5 [0027] La figure 5a est un graphique illustrant l'évolution du débit de fuite en fonction du temps d'un joint n°1 comportant des gloees avec une couche protectrice selon l'invention, lors d'une augmentation de la température au niveau du joint n°1 suite à une remontée du fluide primaire en conditions de type SBO. 10 [0028] La figure 5b est un graphique illustrant l'évolution du débit de fuite en fonction du temps d'un joint n°1 comportant des gloees sans couche protectrice, lors d'une augmentation de la température au niveau du joint n°1 suite à une remontée du fluide primaire en conditions de type SBO. [0029] Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes 15 références sauf précision contraire. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [0030] La figure 1 représente un système de garnitures mécaniques d'étanchéité 4 d'arbre 7 d'un groupe motopompe primaire d'un réacteur nucléaire à eau pressurisée. Ce système d'étanchéité d'arbre comporte un joint 20 n°1 référencé 1 sur la figure 1, un joint n°2 réféencé 2 sur la figure 1 et un joint n°3 référencé 3 sur la figure 1. Chaque joint n°1,2, 3 se compose d'une glace tournante solidaire de l'arbre 7 et d'une glace flottante pouvant suivre les déplacements axiaux de l'arbre 7 mais non tournante. [0031] Le joint n°1 est représenté plus précisément à la fgure 2. Le joint n°1 25 assure la plus grande partie de la chute de pression entre le circuit primaire 8 et l'atmosphère 9. Le joint n°1 est de type hydrostatque, à film d'eau d'une épaisseur de l'ordre de 10 pm. Le joint n°1 comport une glace tournante 10 solidaire de l'arbre 7 et une glace flottante 11 qui peut suivre les déplacements axiaux de l'arbre 7. Le débit de fuite du joint n°1 est déterminé par la double 30 pente de la glace flottante 11 ou encore par les pentes respectives des glaces 7 tournante et flottante selon une variante de réalisation des glaces du joint n°1 (non représentée). Les glaces 10, 11 sont en nitrure de silicium. [0032] Les glaces 10, 11 du joint n°1 selon l'invention sait représentées plus précisément à la figure 3. La surface 12 d'au moins une des glaces 10, 11 5 est recouverte d'une couche protectrice 13. Préférentiellement, les deux glaces 10 et 11 sont recouvertes par une couche protectrice 13 au niveau de leur face active. [0033] Cette couche protectrice 13 est réalisée dans un matériau non poreux et inerte chimiquement en milieu aqueux et à une température 10 supérieure ou égale à 200°C. Cette couche protectrbe 13 permet d'empêcher la dégradation et l'érosion de la surface des glaces en nitrure de silicium en condition de type SBO et ne perturbe pas le fonctionnement normal du joint n°1. [0034] La couche protectrice 13 présente également des propriétés de résistance chimique à la corrosion et notamment à l'acide borique, à 15 l'hydroxyde de lithium et à l'hydroxyde de potassium et résiste à l'érosion. Plus généralement, la couche protectrice 13 résiste à toutes les conditions que peut subir le joint n°1 dans des conditions normales de fonctionnement et dans des conditions accidentelles et notamment en conditions de type SBO pendant plusieurs heures, voire plusieurs jours. 20 [0035] La couche protectrice 13 présente de préférence une épaisseur e comprise entre 0,1 et 30 micromètres. L'épaisseur de la couche protectrice e est de préférence comprise entre 0,2 et 10 micromètres. Préférentiellement, la couche protectrice 13 présente une épaisseur e comprise entre 0,2 et 2 micromètres. 25 [0036] La couche protectrice 13 est déposée de manière uniforme avec des moyens ad-hoc, c'est-à-dire avec une épaisseur constante et homogène en respectant la forme du support. [0037] La couche protectrice 13 présente une grande dureté et est adaptée pour résister aux rayures et au frottement incidentel pouvant se produire entre 30 les deux faces actives des glaces. 8 [0038] La couche protectrice 13 résiste aux chocs thermiques importants, tels que le passage d'une température de 15°-95°C à une température supérieure à 200°C en quelques secondes. [0039] La couche protectrice 13 peut être réalisée en diamant nano- ou 5 microcristallin, ou encore en oxyde de zirconium. [0040] A titre de comparaison, les figures 4a et 4b sont deux clichés réalisés au microscope électronique illustrant l'état de la surface des glaces avec et sans couche protectrice 13 après une exposition à un milieu aqueux à une température de 290°C et sous pression de 155 bar. 10 [0041] Plus précisément, la figure 4a est un cliché d'une glace de joint n°1 selon l'invention comportant une couche protectrice 13 selon l'invention d'une épaisseur de 2 micromètres et la figure 4b un cliché d'une glace de joint n°1 sans couche protectrice. [0042] On constate alors facilement par comparaison que la glace en nitrure 15 de silicium avec la couche de protection 13 sur la figure 4a est intacte alors que la surface de la glace sans la couche de protection sur la figure 4b est dégradée fortement en silice (Si02) sur une épaisseur de quelques dizaines de micromètres à quelques centaines de micromètres. Par ailleurs, la couche supérieure en silice se dissout avec le temps provoquant la dégradation et la 20 dissolution d'une hauteur plus importante de glace en nitrure de silicium, de l'ordre de plusieurs centaines de micromètres. [0043] La figure 5a est un graphique illustrant l'évolution du débit de fuite en fonction du temps d'un joint n°1 comportant des gloees avec une couche protectrice selon l'invention lors d'une augmentation de la température du fluide 25 primaire au niveau du joint n°1. La figure 5b est Ln graphique illustrant l'évolution du débit de fuite en fonction du temps d'un joint n°1 comportant des glaces sans couche protectrice lors d'une augmentation de la température du fluide primaire au niveau du joint n°1. [0044] Ainsi, on remarque facilement le gain obtenu avec la couche 30 protectrice 13 selon l'invention. En effet, sur le graphique de la figure 5b, les glaces selon l'état de la technique sans couche de protection se dégradent 9 rapidement suite à une évolution importante de la température, ce qui provoque une forte augmentation du débit de fuite du joint n°1 en quelques heures. En comparaison, le débit de fuite du joint n°1 reste constant dans les mêmes conditions avec les glaces selon l'invention comportant la couche de protection. 5 [0045] Naturellement l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. On pourrait notamment utiliser d'autres matériaux que ceux cités dans la description détaillée à partir du moment où ces matériaux sont non poreux,