Générateur de vapeur

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Schéma représentant le rôle d'un générateur de vapeur couplé à un réacteur nucléaire

Les générateurs de vapeurs chaudes [Note 1] (GV) sont des composants essentiels des centrales électriques thermiques ou nucléaires, et de certains réseaux de chaleur.

La fonction du générateur de vapeur est d'échanger la chaleur entre le circuit primaire chauffé par le réacteur (pétrole, charbon, réacteur nucléaire…) et le circuit secondaire qui fait tourner la turbine à vapeur — ou bien transporte la chaleur produite dans le cas d'un réseau de chaleur. Les générateurs de vapeur actuels les plus puissants atteignent environ 1 400 mégawatts. Un réacteur à eau pressurisée moderne dispose de 4 générateurs de vapeurs dans l'enceinte de confinement[Note 2].

Dans le circuit primaire d'un réacteur nucléaire, l'eau monte à 300 °C et 155 bars. Grâce aux générateurs de vapeur, l'eau du circuit secondaire est portée à ébullition, à une pression de 50 à 80 bars[Note 3] : la vapeur s'échappe alors sous pression et fait tourner le groupe turbo-alternateur — c'est-à-dire la turbine couplée à l'alternateur — situé dans la salle des machines.

Article connexe : Chaudière.

Structure et géométrie[modifier | modifier le code]

Un générateur de vapeur (GV) est un cylindre d'une vingtaine de mètres de hauteur, renfermant 3000 à 6000 tubes[1] en forme de U inversé.

L'échange de chaleur se fait par une grande quantité de tubes minces, dans lesquels circule le fluide chaud, et autour desquels circule le fluide à chauffer.

Les tubes ont un diamètre de 2 cm environ, et montent dans le cylindre jusqu'à 10 m. Ils sont fixés à la base par une plaque dite tubulaire, et sont maintenus à intervalle d'un mètre par des plaques entretoises. Dans la partie courbe en haut des tubes, qui peut avoir jusqu'à 1,5 m de rayon pour les tubes extérieurs, les tubes sont maintenus par des barres anti-vibratoires.

Valeurs palier N4 : 5610 tubes d'un diamètre de 19,05 mm et d'une épaisseur de 1,09 mm sont répartis au pas triangulaire de 27,43 mm sur la plaque à tubes.

Le faisceau de tubes est coiffé par une chemise en tôle qui le sépare du retour d'eau extérieur et guide l'émulsion vers un étage de séparation puis de séchage.

Fonctionnement[modifier | modifier le code]

Générateurs de vapeur à tubes en U équipant les réacteurs à eau sous-pression[modifier | modifier le code]

Principe du fonctionnement coté secondaire des générateurs de vapeur à tubes en U verticaux

Description fonctionnelle - Taux de circulation[modifier | modifier le code]

Dans le GV, le circuit primaire circule dans les tubes. L'entrée dans les tubes se fait sous la plaque tubulaire, dans la branche chaude. Le fluide monte dans les tubes, côté branche chaude, transmet une partie de sa chaleur au circuit secondaire pendant la montée ainsi que dans les cintres, puis redescend côté branche froide.

Le circuit secondaire entre dans le GV en partie supérieure au-dessus de l'altitude du sommet de faisceau des tubes généralement sous le niveau d'eau. Il s'échappe sous forme de vapeur sous pression au sommet du GV.

L'eau alimentaire admise dans le GV sous le niveau, de façon à prévenir la condensation de la vapeur présente dans le dôme est rapidement dirigée vers le bas du GV où elle se mélange avec l'eau à saturation issue des séparateurs. Le mélange se dirige ensuite sous la chemise vers le faisceau de tubes où il est tout d'abord réchauffé à saturation et ensuite évaporé partiellement. Le "taux de circulation" (noté ) est le rapport du débit du mélange diphasique faisceau au débit de vapeur produit. Plus le taux de circulation est élevé plus la température du mélange admis au contact des pièces épaisses et du faisceau de tubes est élevée et meilleur est le brassage de l'eau dans le faisceau de tubes. Exemple :

  • Dans une configuration typique où la pression de la vapeur saturée produite est de 55 bar (soit une température de 270 °C) et où la température alimentaire est de 170 °C, la température du mélange vaut sensiblement Un taux de circulation de 3 conduit à Tmel = 237 °C
  • Le débit massique d'émulsion dans le faisceau vaut 3 fois la valeur du débit vapeur ; le titre en vapeur de l'émulsion est donc égal à 33 % immédiatement à l'entrée de l'étage de séparation séchage. Soit donc un taux de vide de 93 % . La masse volumique de ce mélange vaut sensiblement 524 kg/m3, dans l'exemple choisi, contre 822 kg/m3 pour le mélange eau alimentaire eau saturée présent dans le retour d'eau.
  • Dans les séparateurs l'émulsion est centrifugée de façon à favoriser la séparation dynamique de l'eau ainsi que la séparation gravitaire[Note 4],[Note 5].
  • En aval de l'étage de séparation, une batterie de sécheurs à chicanes permet d'assécher complètement la vapeur.

On s'arrange pour équilibrer la perte de charge de l'émulsion dans le faisceau et l'étage de séparation avec le terme moteur de thermosiphon procuré par l'altitude du niveau. La surface de l'eau (limite entre phase liquide et vapeur) est maintenue à niveau constant par un automatisme agissant sur une vanne réglante du circuit d'eau alimentaire ce qui assure de façon simple la régulation d'ensemble.

La vapeur produite arrive dans un grand collecteur de vapeur où l'on tente de limiter la présence de gouttelettes, toutefois au-dessus de 32 bars toute perte de charge se traduit par une légère condensation. Puis le collecteur se rétrécit et la vitesse de la vapeur augmente tandis que diminue la dimension des tuyaux (qu'il faut aussi calorifuger).

Exemple de calcul simplifié d'un générateur de vapeur[modifier | modifier le code]

On tente dans ce paragraphe de retrouver de manière simple le dimensionnement général d'un générateur de vapeur de type classique de caractéristiques voisines de celui des réacteurs du palier N4. On effectue tout d'abord un calcul sans tenir compte de la présence du réchauffeur axial qui équipe ce type de GV. On apprécie ensuite le gain sur la pression vapeur ou la surface d'échange apporté par ce perfectionnement.

Le calcul estimatif effectué dans la boite déroulante montre que la conception à économiseur axial retenue pour les GV N4 et EPR fait gagner toutes choses égales environ 20 % sur la surface d'échange au prix de quelques tôles et tuyauteries internes non résistantes à la pression. À surface d'échange donnée le gain sur l'échange thermique se traduit par une pression vapeur accrue de 2,8 bar toutes choses égales d'ailleurs procurant un rendement thermodynamique augmenté et donc une meilleure sûreté à production d’électricité donnée (puissance résiduelle moindre)

Autres technologies[modifier | modifier le code]

Les générateurs de vapeur de type Babcok sont à tubes droits et simple passage. Les générateurs des centrales VVER russes sont à axe horizontal disposition favorable du point de vue de la tenue au séisme.

Les générateurs de vapeur non nucléaires atteignent des températures de 450 °C et des pressions de 45 bars (45.105Pa).

Maintenance[modifier | modifier le code]

Les générateurs de vapeur sont soumis à une visite décennale obligatoire conformément au règlement sur les appareils à vapeur[2]

Contrôle des tubes[modifier | modifier le code]

Les tubes des générateurs de vapeur constituent la seconde barrière des centrales nucléaires, isolant le fluide primaire, au contact des crayons combustibles, et le fluide secondaire du circuit eau vapeur.

En conséquence, une attention toute particulière est accordée à la vérification de l'étanchéité des tubes au cours des arrêts de tranche.

L'examen non destructif des tubes est fait en fonction de l'historique, et selon un plan de sondage qui permet de vérifier l'intégralité des tubes en 3 ou 4 visites.

Différents procédés sont utilisés pour contrôler les tubes : remplissage de la partie "secondaire" par de l'hélium pour vérifier leur étanchéité, utilisation de courants de Foucault pour mesurer l'état mécanique des tubes.

Les tubes présentant des défauts, dus par exemple à la corrosion ou à des fissures, sont bouchés pour éviter que le fluide du circuit primaire ne pollue le circuit secondaire.

Les tubes (plusieurs kilomètres dans chaque GV) sont maintenus par des plaques entretoises pour limiter leur vibration. Récemment, un phénomène de colmatage de l'espace restreint entre les tubes et les plaques a été mis en évidence.

Ce phénomène est lié aux oxydes métalliques véhiculés dans l'eau secondaire, qui sont susceptibles de se déposer dans les zones confinées lorsque l'eau se vaporise (par analogie avec le sel restant au fond de la casserole d'eau bouillie). Ce colmatage, susceptible de nuire au bon fonctionnement du générateur de vapeur est aujourd'hui traité par des traitements de nettoyage chimique ou des nettoyages à l'eau sous pression.

Incidents[modifier | modifier le code]

Les incidents liés au générateur de vapeur sont assez fréquents dans l'industrie nucléaire[3] :

  • Le 15 février 2000 s'est produit une fuite d'environ 20 000 litres de vapeur radioactive en raison de la rupture d’un tube sur l'un des générateurs de vapeur du réacteur no 2 de la centrale nucléaire d'Indian Point (États-Unis).
  • De 2004 à 2007, certains réacteurs des centrales EDF ont subi un colmatage des générateurs de vapeur qui a dû être résolu pour assurer la sécurité du fonctionnement de ces centrales[4]
  • La rupture de tubes de générateur de vapeur peut conduire à une fuite radioactive comme lors de l'incident de janvier 2012 à la centrale nucléaire de San Onofre[5].

Avantages et inconvénients[modifier | modifier le code]

La vapeur d'eau est le mode de déplacement par excellence de l'énergie thermique pour des puissances très élevées (très bonne puissance spécifique de la vapeur et dimension non limitée de l'installation pour certains usages).

Mais la vapeur humide présente des inconvénients : dans les turbines elle augmente l'usure des aubes et dans les transports de chaleur, elle augmente les pertes calorifiques par contact/conductibilité-thermique des condensats avec les parois. Les circuits à vapeur sèche (appelés aussi surchauffées) sont plus complexes à conduire (pression et température plus élevées) mais ne présentent pas ces inconvénients.

Homonymes[modifier | modifier le code]

On désigne aussi sous le terme "générateur de vapeur" :

  • l'appareil qui permet au Hammam moderne de fonctionner.
  • une simple chaudière vapeur
  • L'ensemble des appareils qui permettent l'adjonction de vapeur dans le four vapeur
  • un humidificateur destiné au conditionnement d'air

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Il existe deux types de vapeurs industrielles : les vapeurs chaudes et les vapeurs froides. Cet article traite des générateurs de vapeurs chaudes utilisés dans le domaine de l'énergie. Pour le générateur de vapeur froide, voir générateur de brouillard
  2. Cependant le réacteur AP 1000 dont la puissance thermique avoisine 3200 MW est prévu pour n'avoir que deux générateurs de vapeur
  3. Voir l'article sur le Réacteur pressurisé européen
  4. Le taux de vide du mélange eau vapeur montant dans les colonnes des séparateurs est élevé. Le terme moteur créé par l'écart de poids de colonne d'eau entre le retour d'eau et l'émulsion dans le faisceau est important et le débit diphasique d'émulsion monte dans les séparateurs un peu comme un geyser
  5. Les modèles de GV à tubes en U les plus récents des différents constructeurs ont dans l'ensemble augmenté le volume consacré à la séparation et à l'assèchement de la vapeur
  6. Le débit primaire massique est pris égal au débit volumique généré par la pompe que multiplie la masse volumique de l'eau prise à la température du débit passant dans la pompe
  7. La température d'eau alimentaire étant assez élevée du fait de l'optimisation du cycle vapeur côté turbine qui comporte plusieurs réchauffages de l'eau alimentaire, le taux de circulation retenu assure un complément de réchauffage suffisant pour protéger des chocs thermiques les grosses pièces de forge telles que la plaques tubulaire et les parois résistantes du GV
  8. Dans l'évaporateur de type ordinaire il n'y a pas de cloisonnement interne au faisceau côté secondaire et le mélange diphasique circule librement et s'homogénéise en température sachant qu'un très faible écart local de température est immédiatement compensé par une condensation ou une ébullition en provenance du fluide au voisinage
  9. La puissance thermique apportée par les pompes primaires (environ 20 MWth pour 4 pompes) explique l'écart entre cette valeur et la température d'entrée dans la cuve. 40 % de la puissance électrique consommée par la pompe est communiquée au fluide primaire lors du passage dans la pompe, les autres 60 % sont communiqués au fluide primaire tout au long du circuit en fonction des pertes de charge
  10. Un calcul plus précis obligerait à tenir compte d'un faible titre en eau à la sortie du générateur : typiquement 0,3 % - Dans le jargon des chaudiéristes on dit d'une chaudière qu'elle « prime » si la vapeur produite est chargée d'humidité. Les modèles récents de générateurs de vapeur ont fait l'objet de renforcement des étages de séparation et séchage qui éliminent ce défaut
  11. a et b Point de tube identique au modèle précédent
  12. La distance inter tube et l'isthme de matière sont identiques au modèle précédent mais le pas est triangulaire et non plus carré ce qui augmente la compacité du faisceau
  13. Rappelée à l'article Flux thermique
  14. La corrélation de CHEN apparait comme couvrant une large plage de pressions et températures avec un résultat moyen assez stable parmi celles de la littérature technique
  15. A remarquer que curieusement l'effet des dépôts sur la paroi secondaire des tubes n'est pas nécessairement négatif car dans la zone évaporatoire ils peuvent favoriser l'ébullition nucléée et améliorer l'échange tout au moins dans la première phase de l'exploitation des appareils

Références[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]