Le système de refroidissement principal de l’eau d’alimentation d’une centrale nucléaire constitue une barrière de refroidissement pour la sécurité nucléaire

Le positionnement central et la valeur fonctionnelle du système de refroidissement principal de l'eau d'alimentation
Le processus de conversion d'énergie d'une centrale nucléaire consiste essentiellement à chauffer le liquide de refroidissement dans le circuit primaire grâce à l'énergie thermique générée par la fission nucléaire, puis à transférer l'énergie thermique à l'eau d'alimentation principale du circuit secondaire via un générateur de vapeur, convertissant l'eau d'alimentation en vapeur à haute-pression pour entraîner la turbine à vapeur pour la production d'électricité. La fonction principale du système de refroidissement par eau d'alimentation principale est de fournir un fluide de refroidissement stable et contrôlable pour ce cycle, tout en obtenant une dissipation et une récupération raisonnables de la chaleur. Sa valeur fonctionnelle se reflète principalement sous trois aspects.

Tout d’abord, assurer le refroidissement du cœur du réacteur. Le cœur d'un réacteur nucléaire libère en permanence une grande quantité d'énergie thermique lors de la fission nucléaire. S'il ne peut pas être exporté à temps, cela entraînera une augmentation soudaine de la température centrale et provoquera de graves accidents de sécurité. Le système de refroidissement par eau d'alimentation principale fournit en continu de l'eau d'alimentation de refroidissement au générateur de vapeur, absorbe la chaleur du liquide de refroidissement primaire et garantit que la température du cœur est maintenue dans un seuil de sécurité, formant ainsi une « barrière de refroidissement » importante pour la sécurité du réacteur. Selon les statistiques de l'AIEA, environ 12 % des arrêts imprévus dans les centrales nucléaires sont liés à des pannes du système d'eau d'alimentation, ce qui confirme indirectement la valeur critique de sûreté du système principal de refroidissement de l'eau d'alimentation.

Deuxièmement, maintenez la stabilité du cycle de la boucle secondaire. Le système de refroidissement de l'eau d'alimentation principal doit ajuster avec précision le débit et la température de l'eau d'alimentation en fonction des changements de puissance du réacteur, garantissant des paramètres de vapeur stables à la sortie du générateur de vapeur et fournissant une source d'énergie continue et qualifiée pour la turbine. Pendant le fonctionnement à faible-puissance du réacteur, le débit est ajusté manuellement par la vanne de régulation principale de dérivation d'eau d'alimentation ; Pendant le fonctionnement à haute-puissance, la vanne de régulation de l'eau d'alimentation principale intervient automatiquement et s'ajuste dynamiquement en fonction de la puissance thermique du générateur de vapeur, assurant la continuité et la stabilité du cycle de la boucle secondaire.

Enfin, obtenez une utilisation efficace de l’énergie. Le système de refroidissement de l'eau d'alimentation principal préchauffera l'eau d'alimentation pendant le processus de refroidissement, récupérera la chaleur perdue après la condensation de la vapeur, réduira les pertes d'énergie et améliorera l'efficacité thermique de la centrale nucléaire. Dans le même temps, en contrôlant avec précision les paramètres d'approvisionnement en eau, en réduisant l'usure des équipements et la consommation d'énergie, et en aidant les centrales nucléaires à fonctionner de manière économique à long terme, il répond aux besoins de développement énergétique à faible teneur en carbone et efficace dans le cadre de la stratégie « double carbone ».

L'architecture de composition et le principe de fonctionnement du système de refroidissement principal de l'eau d'alimentation
Le système de refroidissement de l'eau d'alimentation principal d'une centrale nucléaire est un système complexe intégré et de haute-précision, composé principalement de la pompe d'eau d'alimentation principale, de la vanne de régulation d'eau d'alimentation principale, de l'équipement de préchauffage de l'eau d'alimentation, du système de canalisation, du système de surveillance et de contrôle et de l'équipement auxiliaire. Les composants fonctionnent ensemble pour former un cycle de refroidissement en boucle fermée-, et son principe de fonctionnement s'articule autour des trois liens principaux de « l'ajustement des paramètres d'échange thermique du transport de l'eau d'alimentation ».

Composants de base et leurs fonctions

• Pompe d'eau d'alimentation principale : en tant que « cœur d'alimentation » du système, elle est chargée de fournir de l'eau d'alimentation de haute pureté-traitée par le dégazeur au générateur de vapeur à haute pression. Ses conditions de fonctionnement sont extrêmement difficiles, nécessitant un fonctionnement continu à long-terme dans des environnements à haute température (température de l'eau d'entrée d'environ 220 degrés) et à haute pression (la pression de sortie peut atteindre 8-12 MPa). La durée de vie nominale n'est généralement pas inférieure à 40 ans et des exigences extrêmement élevées sont imposées à la résistance à la corrosion des matériaux et à l'étanchéité structurelle. À l'heure actuelle, le courant dominant en Chine adopte des pompes principales centrifuges à grande vitesse pour l'eau d'alimentation, et certaines unités avancées ont adopté des solutions intégrées de régulation de vitesse à fréquence variable et de surveillance intelligente. Certaines unités sont également équipées de pompes à eau d'alimentation à vapeur pour garantir que la vapeur auxiliaire peut toujours être utilisée pour maintenir le fonctionnement et améliorer la fiabilité du système en cas de panne de courant dans l'ensemble de l'usine. Le système modulaire du groupe principal de pompes à eau alimentaire développé par l'East China Electric Power Design Institute améliore efficacement la fiabilité opérationnelle et l'efficacité de conception du système en intégrant la pré-pompe, le moteur, le coupleur hydraulique et la pompe principale.
• Vanne de régulation principale de l'eau d'alimentation : le "centre de flux" du système, fonctionnant en parallèle avec la vanne de régulation principale de dérivation de l'eau d'alimentation, chargée d'ajuster avec précision le débit de l'eau d'alimentation en fonction des changements de puissance du réacteur et de l'état de fonctionnement du générateur de vapeur. Ses performances sont directement liées à la stabilité du système d’approvisionnement en eau. Si un défaut survient, cela entraînera des fluctuations du débit d'eau d'alimentation principale, ce qui constituera une menace pour la sécurité de l'unité. Les défauts courants incluent des filetages usés et cassés reliant la tige de vanne et le noyau de vanne, une usure par collision sur la paroi interne du composant de la cage de vanne, un retour anormal des signaux de localisation, etc., qui doivent être résolus par une optimisation structurelle et une mise à niveau des matériaux.

Équipement de préchauffage de l'eau d'alimentation : comprend principalement des réchauffeurs à haute pression-, qui sont utilisés pour préchauffer l'eau d'alimentation principale en utilisant la chaleur résiduelle provenant de l'extraction par turbine à vapeur, augmenter la température de l'eau d'alimentation, réduire les pertes de chaleur dans le générateur de vapeur et réduire le stress thermique de l'équipement, prolongeant ainsi la durée de vie du système. Après préchauffage, l'eau d'alimentation pénètre dans le générateur de vapeur et peut absorber plus efficacement la chaleur du circuit primaire, améliorant ainsi l'efficacité de la génération de vapeur.

 

Système de surveillance et de contrôle : composé de divers capteurs, contrôleurs et actionneurs, il surveille les paramètres clés tels que le débit d'eau, la température et la pression en-temps réel, et réalise un ajustement précis des paramètres grâce à un système de contrôle automatisé. Par exemple, en surveillant le niveau d'eau et la température du générateur de vapeur, la vitesse de la pompe d'eau d'alimentation principale et l'ouverture de la vanne de régulation d'eau d'alimentation principale sont automatiquement ajustées pour garantir que les paramètres de fonctionnement du système sont toujours dans une plage de sécurité, tout en obtenant un avertissement en temps réel - et une réponse d'urgence en cas de panne.

• Analyse du flux de travail

Le processus de fonctionnement du système de refroidissement de l'eau d'alimentation principal peut être divisé en quatre étapes clés : la première étape est que le dégazeur effectue un traitement de désaération sur l'eau d'alimentation, éliminant l'oxygène et les autres gaz nocifs de l'eau, empêchant la corrosion des pipelines et des équipements et garantissant que la pureté de l'eau d'alimentation répond aux normes de qualité nucléaire ; La deuxième étape consiste à augmenter à l’avance la pression d’entrée de la pompe principale pour éviter la cavitation. Ensuite, la pompe d'eau d'alimentation principale met sous pression l'eau d'alimentation traitée et la refoule vers le réchauffeur haute pression ; Troisième étape, le réchauffeur haute pression-utilise la chaleur résiduelle extraite de la turbine à vapeur pour préchauffer l'eau d'alimentation et augmenter la température de l'eau d'alimentation jusqu'à la plage spécifiée ; Quatrième étape, l'eau d'alimentation principale préchauffée est transportée vers le générateur de vapeur pour absorber la chaleur du liquide de refroidissement primaire et la convertir en vapeur haute-pression. L’eau d’alimentation refroidie retourne ensuite dans le système de circulation pour terminer le cycle de refroidissement. Tout au long du processus, le système de surveillance et de contrôle est pleinement impliqué, ajustant de manière dynamique les paramètres de fonctionnement de chaque composant en fonction des changements dans la puissance du réacteur et de l'état de fonctionnement du système pour garantir un cycle stable, sûr et efficace.

Garantie de sécurité et gestion des défauts du système de refroidissement de l'eau d'alimentation principale

Le fonctionnement sûr du système principal de refroidissement de l’eau d’alimentation dans les centrales nucléaires constitue une garantie importante pour la sûreté de l’énergie nucléaire. En raison de l'environnement de fonctionnement difficile du système, qui est exposé pendant une longue période à des températures élevées, à des pressions élevées et à des rayonnements élevés, il est sujet à l'usure des composants, aux fuites, aux anomalies de contrôle et à d'autres défauts. Par conséquent, il est nécessaire d’établir un système de garantie de sécurité solide pour parvenir à une détection et une élimination précoces des défauts.

• Mesures de sécurité

Optimisation des matériaux et de la structure : les composants de base sont constitués de matériaux spéciaux à haute -résistance, à la corrosion-et aux radiations. Par exemple, la roue et le joint d'arbre de la pompe d'eau d'alimentation principale sont en acier inoxydable austénitique à très faible teneur en carbone ou en acier inoxydable duplex. La goupille de positionnement de la vanne de régulation d'eau d'alimentation principale est constituée d'un matériau Inconel750 à haute résistance, remplaçant les matériaux traditionnels à faible résistance, pour améliorer la résistance à l'usure et la durée de vie des composants. Dans le même temps, optimisez la conception structurelle des composants de la cage de vanne et des noyaux de vanne, adoptez des fenêtres à petits trous et optimisez leur disposition en fonction de la courbe de débit, améliorez la précision de la régulation et la capacité de débit, et réduisez les vibrations et l'usure des composants.

Conception à double redondance : l'équipement clé du système adopte une configuration redondante de « un pour l'utilisation et un pour la sauvegarde » ou « plusieurs pour l'utilisation et un pour la sauvegarde ». Par exemple, la pompe d'eau d'alimentation principale est généralement équipée de 2 à 4 unités et des pompes de secours correspondantes pour garantir qu'en cas de panne d'un équipement, l'équipement de secours puisse être rapidement mis en service pour éviter l'arrêt du système. Dans le même temps, le système de contrôle adopte une conception à double redondance pour éviter que le système ne perde le contrôle en raison de la défaillance d'une seule unité de contrôle.

Surveillance intelligente et alerte précoce : à l'aide du jumeau numérique, de la maintenance prédictive de l'IA et d'autres technologies, une surveillance en ligne de l'état des équipements clés tels que les pompes principales d'eau d'alimentation et les vannes de régulation est effectuée. Grâce à l'analyse du spectre de vibration, à la reconstruction du champ de température et à d'autres méthodes, le fonctionnement anormal de l'équipement est capturé en temps réel et des avertissements de panne sont émis à l'avance. Après l'adoption d'un système de surveillance intelligent, la durée moyenne de fonctionnement sans problème de la pompe d'eau d'alimentation principale a été augmentée de 18 000 heures pour les modèles traditionnels à plus de 32 000 heures, réduisant considérablement le risque d'arrêts imprévus.

Tendance à la mise à niveau technologique et au développement de l'industrie du système de refroidissement de l'eau d'alimentation principale
Avec l'itération continue de la technologie nucléaire et l'approfondissement de la stratégie « double carbone », le principal système de refroidissement de l'eau d'alimentation des centrales nucléaires évolue vers l'intelligence, l'efficacité et la localisation. La modernisation technologique et la modernisation industrielle progressent de manière synchrone, apportant un soutien plus fort à l'exploitation sûre et efficace de l'énergie nucléaire.

• Direction de la mise à niveau technique

Mise à niveau intelligente : intégration de technologies telles que l'Internet des objets, le Big Data et l'intelligence artificielle pour créer un système de gestion intelligent du cycle de vie complet, permettant une surveillance-en temps réel des paramètres de fonctionnement du système, un diagnostic précis des pannes et une planification intelligente du fonctionnement et de la maintenance. Par exemple, en utilisant la technologie du jumeau numérique pour construire un modèle virtuel du système principal de refroidissement de l'eau d'alimentation, simulant l'état de fonctionnement du système, prédisant les risques de panne à l'avance, optimisant les plans d'exploitation et de maintenance et réduisant les coûts d'exploitation et de maintenance.

Optimisation efficace : en optimisant les processus du système, en améliorant la structure de l'équipement et en améliorant l'efficacité thermique et la stabilité opérationnelle du système. Par exemple, optimiser la conception de la roue de la pompe principale d'eau d'alimentation pour améliorer l'efficacité du transport et réduire la consommation d'énergie ; Optimisez le processus de préchauffage de l'approvisionnement en eau, récupérez entièrement la chaleur perdue et améliorez encore l'efficacité de l'utilisation de l'énergie. Dans le même temps, une technologie de régulation de vitesse par conversion de fréquence est adoptée pour ajuster dynamiquement la vitesse de la pompe d'eau d'alimentation principale en fonction de la puissance du réacteur, permettant ainsi un fonctionnement économe en énergie.

Promotion d'une technologie sans fuite : adoption de types de pompes sans fuite tels que des pompes magnétiques et des pompes blindées pour remplacer les pompes à joint d'arbre traditionnelles, réduisant ainsi le risque de fuite d'eau, améliorant la sécurité du système et la protection de l'environnement, tout en réduisant les coûts de maintenance des équipements et en s'adaptant aux exigences environnementales difficiles des centrales nucléaires.

• Tendances de développement de l’industrie

Avec l'accélération des approbations de projets nucléaires nationaux et l'augmentation constante du nombre d'unités en construction, la demande du marché pour les équipements liés au système principal de refroidissement de l'eau d'alimentation continue de se libérer. Selon les estimations, de 2026 à 2030, on s'attend à ce que 30 -40 nouvelles centrales nucléaires approuvées soient ajoutées en Chine, ce qui correspond à une demande d'environ 120 à 160 nouvelles pompes à eau d'alimentation nucléaire. La taille du marché augmentera régulièrement. Le processus de localisation continue de s'accélérer et le taux de localisation des pompes principales a dépassé 90 %. Les entreprises publiques telles que Shanghai Electric, Dongfang Electric et Harbin Electric Group dominent le marché intérieur. Grâce à un système de fabrication complet et à une expérience en ingénierie, ils parviennent progressivement à remplacer localement les produits haut de gamme et à réduire leur dépendance à l'égard des équipements importés.

Parallèlement, avec l'avancement des petits réacteurs modulaires (SMR) et des projets de démonstration de technologies nucléaires de quatrième génération, la demande d'équipements de refroidissement de l'eau d'alimentation principale nouveaux, efficaces et compacts émergera progressivement, ouvrant de nouvelles opportunités de croissance pour l'industrie. En outre, dans le contexte de l'exportation accélérée de l'énergie nucléaire dans le cadre de « l'Initiative la Ceinture et la Route », les principaux équipements nationaux liés au système de refroidissement de l'eau d'alimentation se déplaceront progressivement vers le marché international, améliorant ainsi la compétitivité mondiale des équipements nucléaires chinois [6].

Le principal système de refroidissement de l'eau d'alimentation d'une centrale nucléaire, en tant que « barrière de refroidissement » pour la sécurité nucléaire, est la plaque tournante du cycle de boucle secondaire de l'énergie nucléaire. Son fonctionnement stable est directement lié au fonctionnement sûr, efficace et à faible-carbone de la centrale nucléaire. De l'optimisation de la structure des composants centraux à l'amélioration de l'intelligence du système, de la gestion précise des pannes à la promotion de la substitution domestique, chaque avancée technologique dans le système principal de refroidissement de l'eau d'alimentation a jeté une base solide pour la sécurité de l'énergie nucléaire.
Dans le contexte de la transition énergétique, avec le développement continu de la technologie de l'énergie nucléaire, le principal système de refroidissement de l'eau d'alimentation continuera d'évoluer vers une direction plus intelligente, plus efficace et plus sûre, en surmontant constamment les principaux goulots d'étranglement technologiques, en améliorant le système de garantie de sécurité, en apportant un soutien solide au développement de haute qualité de l'industrie nucléaire chinoise, en atteignant l'objectif du « double carbone » et en garantissant le transport sûr de l'énergie nucléaire propre à tous les niveaux.