L’UTILISATION DES THERMOPLONGEURS DANS L’INDUSTRIE NUCLÉAIRE

L’industrie nucléaire sert à fournir de la chaleur et de l’électricité aux consommateurs en exploitant l’énergie thermique générée par la fission nucléaire dans un environnement contrôlé. La fission nucléaire est la fragmentation du noyau d’un atome en parties plus petites. Dans l’enceinte d’un réacteur nucléaire, cette réaction de fission nucléaire contrôlée produit une grande quantité d’énergie thermique, qui est ensuite utilisée pour chauffer l’eau et en faire de la vapeur, qui à son tour fait tourner une turbine dans un générateur électrique convertissant l’énergie thermique en énergie électrique. [1] L’énergie nucléaire est considérée comme une source vitale d’électricité en raison de la nature efficace de la production d’électricité. En 2010, elle représentait environ 14 % de la demande mondiale d’électricité. [2] La production d’énergie par voie nucléaire nécessite la mise en place de systèmes de contrôle qui surveillent et ajustent de nombreux paramètres essentiels au processus. Certains de ces systèmes de contrôle nécessitent la production de chaleur électrique à l’aide de thermoplongeurs.

Figure 1 : Un thermoplongeur à bride fabriqué par WATTCO™ [3]

  Les thermoplongeurs sont un type de chauffage électrique principalement utilisé pour chauffer des liquides. Comme son nom l’indique, il est constitué d’éléments métalliques immergés dans le liquide qu’il chauffe. Ces éléments agissent comme des résistances électriques, qui convertissent efficacement l’énergie électrique en énergie thermique qui se dissipe dans le liquide environnant, le chauffant ainsi. Figure 1 montre un type de thermoplongeur à bride fabriqué par WATTCO™. Ce réchauffeur à bride utilise de nombreux éléments pour augmenter la surface de contact avec le fluide à chauffer afin d’accroître l’efficacité.  [4, 5] Habituellement, il y a un capteur situé dans le liquide contenu qui envoie des signaux à une unité de contrôle où les paramètres de température sont imputés pour contrôler le réchauffeur à bride. Les thermoplongeurs sont le plus souvent utilisés dans les milieux industriels. Les réchauffeurs électriques sont couramment utilisés pour contrôler la pression à l’intérieur d’un réacteur à eau pressurisée, un type courant de réacteur nucléaire, comme le montre la figure 2. Dans ce type de réacteur nucléaire, un réfrigérant primaire (eau à haute pression) est utilisé pour absorber la chaleur résultant de la réaction de fission nucléaire contrôlée. La chaleur est ensuite transférée au fluide de travail, qui est l’eau, à l’aide d’un échangeur de chaleur. Sous l’effet de la chaleur, le fluide de travail est transformé en vapeur, qui entraîne à son tour la turbine pour créer de l’énergie électrique, prête à être utilisée commercialement. Dans le cadre de la conception de ce réacteur, le réfrigérant primaire doit rester liquide à une température de 321°C. [1] Pour s’assurer qu’il ne bout pas, la boucle doit être maintenue à une pression élevée de 2250 psi. [1] Pour maintenir et gérer la pression globale, on utilise une réservoir externe, appelée pressuriseur, reliée à la boucle. Le pressuriseur est un réservoir rempli d’eau et de vapeur. Il y a un thermoplongeur électrique situé au fond du réservoir, qui peut être un thermoplongeur à bride. En général, un réchauffeur d’une capacité de 1800 kW est nécessaire pour une centrale nucléaire qui produit près de 3000 MW d’électricité. [1] La pression de la vapeur contrôle la pression globale de la boucle, tandis que la pression de la vapeur est contrôlée par la température du pressuriseur. Lorsqu’un capteur mesure une chute de pression, le réchauffeur électrique s’allume. Cela chauffe l’eau, la transforme en vapeur et augmente la pression globale dans la boucle. De cette façon, la pression est un paramètre contrôlé dans le réacteur à eau pressurisée ; elle est contrôlée par un réchauffeur électrique. Un jet d’eau froide est déversé dans le pressuriseur si la pression est plus élevée que nécessaire, afin d’abaisser la température, ce qui réduit la quantité de vapeur et abaisse la pression. [1, 6, 7]

Figure 2 : Schéma d’un réacteur à eau pressurisée avec 4 générateurs de vapeur [6]

  Le thermoplongeur est un type de chauffage électrique idéal pour une application à l’intérieur du pressuriseur en raison de son efficacité et de sa polyvalence en termes de taille et de conception, ainsi que de sa simplicité de fabrication. WATTCO™ peut fournir une conception personnalisée sur les thermoplongeurs pour répondre à l’application particulière. Des paramètres tels que la forme et la taille des éléments, la puissance, les systèmes de contrôle et les matériaux peuvent tous être conçus sur mesure pour répondre aux besoins de l’acheteur. L’entretien des éléments chauffants du pressuriseur est relativement simple, ce qui augmente sa durée de vie et accroît l’attrait économique de l’utilisation d’un thermoplongeur dans un pressuriseur. [8] En fait, par simple découpage et soudage, les éléments défectueux isolés d’un réchauffeur à bride peuvent être remplacés, plutôt que de remplacer l’ensemble du thermoplongeur. En outre, grâce à la facilité d’entretien du thermoplongeur, la durée de vie d’un pressuriseur est augmentée, ce qui réduit l’exposition aux rayonnements des agents de maintenance lors du remplacement du pressuriseur. L’acier inoxydable est le matériau le plus approprié pour façonner les éléments des thermoplongeurs utilisés dans les pressuriseurs.  Il s’agit d’un alliage métallique de haute qualité qui résiste à la corrosion chimique dans un environnement aqueux et présente une bonne résistance à haute température. Il est en fait utilisé dans une grande partie de la tuyauterie à l’intérieur du réacteur nucléaire. [9] De nombreux alliages d’acier présentent des changements négligeables de dureté et de résistance en réponse à l’irradiation nucléaire, ce qui peut endommager considérablement d’autres matériaux. [10] En outre, WATTCO™ peut fournir plusieurs compositions d’alliage telles que l’Incoloy® et l’Inconel®, qui présentent des gaines à parois épaisses, qui s’accommodent bien des applications à haute puissance, comme le chauffage du pressuriseur dans une centrale nucléaire. Les thermoplongeurs électriques sont bien adaptés pour être utilisés dans le pressuriseur des réacteurs nucléaires à eau pressurisée en raison de leur efficacité impressionnante, de leur polyvalence dans la conception et de leurs techniques de fabrication et de maintenance simples. En raison de considérations de conception, principalement la température élevée, la pression et la présence d’une irradiation nucléaire constante, l’acier inoxydable est le matériau optimal pour les éléments des thermoplongeurs. Pour plus d’informations sur les thermoplongeurs, les paramètres de conception ou pour obtenir un devis, veuillez contacter les conseillers techniques de WATTCO™.

Références

1. Cameron, I. R. Nuclear Fission Reactors. New York : Plenum, 1982. Print.
2. World Nuclear News. “Another Drop in Nuclear Generation.” WNN. World Nuclear News, 5 May 2010. Web. 9 July 2012. http://www.world-nuclear-news.org/newsarticle.aspx?id=27665&terms=another+drop+
3. WATTCO. Flanged Immersion Heater. Digital image. Flanged Heaters. WATTCO, n.d. Web. 6 July 2012. <https://www.wattco.com/product_category/flanged-heaters/>.
4. Raju, K. S. N. Fluid Mechanics, Heat Transfer, and Mass Transfer : Chemical Engineering Practice. Hoboken, NJ : Wiley, 2011. Print.
5. Morgan, Lemuel J., and Leonard F. Lowe. Electric Immersion Water Heater. Patent US3446939. 27 May 1969. Print.
6. Glasstone, Samuel, and Alexander Sesonske. Nuclear Reactor Engineering. Vol. 2. New York, NY : Chapman & Hall, 1994. Print.
7. Mendolia, Frank J. Pressurizer Heaters. Westinghouse Electrical Corporation, assignee. Patent US4135552. 23 Jan. 1979. Print.
8. Loch, Emil P., and Frank J. Mendolia. Method of Repairing A Heating Element in A Pressurizer. Westinghouse Electric Corporation, assignee. Patent US4255840. 17 Mar. 1981. Print.
9. Weisman, Joel. Elements of Nuclear Reactor Design. Amsterdam : Elsevier Scientific Pub., 1977. Print.

Hausner, Henry Herman, and Stanley B. Roboff. Materials for Nuclear Power Reactors,. New York : Reinhold, 1955. Print.