Le réacteur à eau bouillante (BWR) est l'un des réacteurs les plus répandus dans la production d'énergie nucléaire commerciale, après seulement le réacteur à eau pressurisée (PWR).Dans un réacteur à eau bouillante, l'eau peut bouillir directement à l'intérieur du cœur du réacteur, produisant de la vapeur acheminée directement vers le générateur de turbines. Cet arrangement à cycle direct élimine la nécessité de générateurs de vapeur secondaires, simplifiant la conception de l'usine, mais introduisant des défis uniques dans la qualité de la vapeur, le contrôle des radiations et la conception de turbines.

Le cycle de turbine BWR: de la vapeur à la rotation

Avantages et défis directs liés au cycle

La caractéristique principale du cycle de turbines BWR est son couplage direct : la vapeur qui quitte le cœur du réacteur passe par un ensemble de sécheurs de vapeur situé à l'intérieur du réservoir de pression du réacteur pour réduire la teneur en eau à environ 0,1–0,2 % avant d'entrer dans les conduites de vapeur principales. De là, la vapeur saturée s'écoule directement vers la turbine à haute pression. Cette simplicité réduit le nombre de composants majeurs par rapport à un réacteur à vapeur à vapeur, réduisant les coûts en capital et éliminant l'inefficacité thermique associée à un générateur de vapeur secondaire.

Qualité de la vapeur et séparation de l'humidité

Les BWR fonctionnent à des pressions de vapeur inférieures à celles des systèmes secondaires de PWR, généralement autour de 6,9–7,2 MPa (1000–1050 psi) à la sortie du réacteur, ce qui donne une vapeur saturée. À mesure que cette vapeur s'étend à travers la turbine à haute pression, sa teneur en eau augmente de façon significative en raison de la condensation.

Turbines à haute pression et à faible pression

Un train à turbines BWR typique est constitué d'un cylindre haute pression (HP) et de deux ou trois cylindres basse pression (LP) disposés en tandem. La turbine HP reçoit de la vapeur directement du réacteur et extrait environ 30 à 40 % de l'énergie disponible. Après avoir traversé le séparateur d'humidité, la vapeur est distribuée aux turbines LP, qui fonctionnent avec des lames plus longues et des zones d'annulaires d'échappement plus grandes pour maximiser l'extraction de l'énergie thermique restante. Les lames de dernière étape des turbines LP sont parmi les composants les plus stressés de la centrale, fonctionnant à des vitesses d'extrémité quasi soniques et dans des conditions de vapeur humide.

Arrangement de séparation d'humidité

Dans de nombreux modèles de BWR, le séparateur d'humidité est intégré directement dans le boîtier de la turbine ou placé comme un récipient séparé entre les cylindres HP et LP. La vapeur de BWR n'ayant pas de source de réchauffage séparée (contrairement aux PWR, qui utilisent de la vapeur des générateurs de vapeur ou un système de réchauffage séparé), il n'y a pas de stade de réchauffage. Le séparateur d'humidité suffit à lui seul pour élever la qualité de la vapeur à des niveaux acceptables pour la turbine LP. Certains BWR modernes, comme le réacteur à eau bouillante avancé (ABWR), intègrent un séparateur d'humidité qui fournit également un petit degré de surchauffe par l'utilisation d'une source de vapeur de chauffage distincte, mais ce n'est pas universel.

Le système principal de condensation et d'alimentation en eau

Opération de condenseur et aspirateur

Après avoir quitté les turbines LP, la vapeur d'échappement entre dans le condenseur principal, où elle se condense sur des milliers de tubes refroidis par un système d'eau circulant (d'une rivière, d'un lac, d'une tour de refroidissement ou d'un océan). Le maintien d'un vide élevé, généralement dans une pression absolue de 4 à 5 kPa, est essentiel pour obtenir un rendement thermique maximal.

Chauffage de l'eau potable et efficacité du cycle

Le condensat qui quitte le condenseur est pompé par une série de chauffe-eau à basse pression, qui utilisent la vapeur d'extraction des turbines HP et LP pour préchauffer l'eau avant son retour au réacteur. Ce chauffage régénératif augmente la température moyenne à laquelle la chaleur est ajoutée dans le réacteur, améliorant ainsi l'efficacité thermodynamique globale du cycle de Rankine. Les cycles BWR typiques permettent d'obtenir une efficacité thermique nette de 32 à 34 %, comparable à d'autres réacteurs à eau légère.

Pompes à condensation et à eau d'alimentation

Après avoir traversé les pompes à eau d'alimentation (souvent entraînées par des turbines à vapeur ou des moteurs électriques), l'eau d'alimentation est livrée au réacteur par les anneaux de purge d'eau d'alimentation. Un contrôle précis du débit d'eau d'alimentation est essentiel pour maintenir le niveau d'eau du réacteur, ce qui affecte le refroidissement du cœur et la production de vapeur.

Conversion de la puissance électrique et de la génératrice

Construction et refroidissement des groupes électrogènes

La turbine entraîne un générateur synchrone qui convertit l'énergie de rotation mécanique en sortie électrique à une tension comprise entre 18 et 24 kV. Les générateurs BWR sont de grandes machines – de 1000 à 1400 MVA pour les unités modernes – et nécessitent des systèmes de refroidissement complets. Le refroidissement par hydrogène est courant pour les conducteurs de rotor et de stator en raison de sa grande capacité de transfert de chaleur et de faibles pertes de vent; l'hydrogène est circulé par des échangeurs de chaleur refroidis par de l'eau déminéralisée.

Connexion de transformateur et de grille

La sortie du générateur est augmentée par le transformateur principal aux tensions de transmission (habituellement 230 kV, 400 kV, ou 500 kV) pour la connexion au réseau électrique. Un conduit de bus en phase isolée transporte le courant du générateur vers le transformateur, protégeant le personnel contre l'exposition aux courants élevés et contenant des défauts d'arc. Un transformateur de service de station appuie également sur la sortie du générateur pour fournir des charges auxiliaires à l'intérieur de l'usine, assurant l'autosuffisance pendant le fonctionnement normal.

Systèmes d'excitation

Le courant de champ du générateur est fourni par un système d'excitation, qui peut être un excitateur rotatif sans brosse monté sur le même arbre ou un excitateur statique à base de thyristor avec des anneaux de glissement. La tension d'excitation est réglée pour contrôler la puissance réactive du générateur et maintenir la stabilité de tension sur le réseau.

Contrôle et réglage de la turbine

Contrôle de vitesse et de charge

La vitesse et la puissance de la turbine BWR sont réglées par un système de régulation qui règle la position des vannes de commande (aussi appelées soupapes de régulation ou soupapes d'admission de vapeur) situées en amont de la turbine HP. Le régulateur reçoit des signaux de la sortie du générateur, des capteurs de fréquence et des signaux de pression/de débit du réacteur.

Systèmes de dérivation de turbine

Pendant le démarrage, l'arrêt ou le rejet rapide de la charge, l'excès de vapeur doit être détourné de la turbine pour éviter la surpression et permettre au réacteur de continuer à refroidir. Le système de contournement de la turbine conduit la vapeur directement au condenseur principal par une série de stations de réduction de pression et de désurchauffe. La capacité de dérivation varie, mais les BWR modernes sont conçus pour traiter jusqu'à 85 % ou plus du flux de vapeur à pleine charge, ce qui permet au réacteur de rester en service même lorsque la turbine est déconnectée du réseau.

Coordination réactor-turbine

Dans un réacteur à turbine, la puissance du réacteur est influencée par la position de la tige de commande et le débit de recirculation du noyau. Le système de commande de turbine interagit avec le système de commande de puissance du réacteur pour maintenir un état équilibré. Par exemple, si les vannes de turbine ferment partiellement, la pression du réacteur augmente, ce qui réduit les vides de vapeur dans le noyau et augmente la modération neutronique, entraînant une augmentation temporaire de puissance.

Systèmes de sécurité pour la conversion de turbine et de puissance

Protection contre les excès de vitesse

Si la turbine perd subitement sa charge électrique (p. ex. en raison d'une ouverture du disjoncteur), elle peut accélérer rapidement. La protection contre la survitesse comprend des boulons mécaniques qui fonctionnent à 110–112 % de la vitesse nominale, ainsi que des systèmes électroniques de détection de la survitesse qui déclenchent indépendamment la fermeture rapide des vannes d'arrêt de vapeur principale et des vannes de commande.

Mécanismes d'arrêt et de voyage d'urgence

Le système de protection contre les essais de turbine surveille les conditions de déplacement multiples, notamment les vibrations élevées, la faible pression d'huile lubrifiante, la température élevée des roulements, la pression de condensateur élevée et l'expansion différentielle excessive. Lorsqu'un essai de fonctionnement est détecté, les vannes d'arrêt de vapeur et les vannes de commande se ferment rapidement et le disjoncteur s'ouvre.

Isolation et facteurs de confinement

Comme le cycle de turbine d'un réacteur à turbine contient de la vapeur radioactive, le bâtiment de la turbine est conçu comme une zone d'accès contrôlée avec un blindage et une ventilation appropriés. Les principales conduites de vapeur et d'eau d'alimentation qui pénètrent dans le bâtiment de confinement sont équipées de soupapes d'isolement qui peuvent fermer les signaux de sécurité pour contenir tout rejet de radioactivité.

Améliorations de l'efficacité et des performances

Matériaux de lame avancés et aérodynamique

Les améliorations continues de la conception des pales de turbine ont considérablement augmenté la puissance et l'efficacité de la turbine. L'utilisation de profils aérodynamiques tridimensionnels, d'amortisseurs à échelle partielle et de boucliers d'érosion a prolongé la durée de vie des pales et réduit les pertes de trajectoire de vapeur.

Contrôles numériques et optimisation

Les algorithmes avancés permettent de surveiller la température de la trajectoire de la vapeur, de calculer l'efficacité en ligne et d'alerter rapidement les pales ou l'état dégradé. La commande de la valve numérique permet également de «déplacer la turbine» où elle fonctionne avec des vannes positionnées de manière optimale pour minimiser les pertes de grottling.

Améliorations pour les mises à niveau de puissance élargie

De nombreuses centrales BWR ont réussi à mettre en place des uprates de puissance élargies (UPE) allant jusqu'à 20 % de plus que la puissance autorisée d'origine. Ces uprates nécessitent des modifications aux systèmes de turbine et de conversion de puissance : remplacement des rotors et des diaphragmes de turbine HP, modernisation des pales de turbine LP, séparation de l'humidité, augmentation de la capacité de refroidissement du condenseur et modernisation du générateur et du transformateur.

Aspects environnementaux et opérationnels

Exposition aux rayonnements du cycle de vapeur

Le N-16 émet des rayons gamma de haute énergie et doit être pris en compte dans les contrôles de protection du personnel et d'accès. Le blindage de la conduite de vapeur et les zones d'accès contrôlées sont des normes. Pendant l'entretien de la turbine ou du condenseur, le temps de désintégration est permis pour que le N-16 diminue (demi-vie de 7,1 secondes) et les études de rayonnement permettent de guider les travaux.

Chimie de l'eau et contrôle de la corrosion

Pour réduire au minimum l'accumulation de rayonnement et la corrosion des composants, la chimie de l'eau BWR est étroitement contrôlée. L'injection d'hydrogène est utilisée pour supprimer les niveaux d'oxygène dans l'eau du réacteur, réduisant ainsi la corrosion par contrainte. Le système d'eau d'alimentation est construit avec de l'acier inoxydable ou de l'Alloy 600/690 pour résister à la corrosion.

Comparaison avec le cycle de turbine PWR

Bien que les turbines à vapeur et les turbines à vapeur soient toutes deux utilisées, les différences de cycle sont notables. Les turbines à vapeur produisent de la vapeur sèche et légèrement surchauffée dans un circuit secondaire, qui peut être réchauffé entre les turbines HP et LP, ce qui leur confère un petit avantage d'efficacité (33–35 % contre 32–34 % pour les turbines à vapeur).

Conclusion

Les systèmes de conversion de turbine et d'électricité d'un réacteur à eau bouillante sont des liens critiques entre la fission nucléaire du noyau et l'électricité fournie au réseau. La conception à cycle direct simplifie la conception de l'installation, mais impose des exigences rigoureuses pour le contrôle de l'humidité, la gestion des rayonnements et des systèmes de protection robustes. Les progrès dans l'aérodynamique des pales, la science des matériaux, les contrôles numériques et les technologies de mise à niveau de la puissance ont constamment amélioré les performances et la fiabilité des îles turbines BWR. Les conceptions modernes telles que l'ABWR et l'ESBWR déployables à court terme intègrent des cycles de turbine optimisés qui améliorent encore l'efficacité et la sécurité.