Le MIT a récemment travaillé sur des cycles moteurs utilisant le gaz carbonique supercritique, qu’il considère conduire à des performances meilleures que les autres pour des températures modérées de réacteurs nucléaires, comprises entre 650 et 800 °C (Dostal et al., 2003).

Les partisans de ces cycles affirment que leurs rendements sont, pour cet intervalle de température, supérieurs à ceux des cycles à vapeur et que les machines sont beaucoup plus compactes.

Plusieurs types de cycles au CO2 supercritique sont envisagés : le plus simple est un cycle de Brayton avec régénérateur (figure ci-dessous) les principales variantes mettant en jeu un refroidissement partiel, une précompression ou une recompression.

Sur le plan thermodynamique, l'intérêt d'utiliser un tel cycle est de bénéficier d'un travail de compression à l'état liquide supercritique beaucoup plus faible que si le fluide de travail reste à l'état gazeux comme dans un cycle de Brayton classique.

Considérons un tel cycle à supercritique à régénération simple (figure ci-dessous), un débit de 3 t/s de CO2 sous 200 bars entre dans le réacteur à une température voisine de 330 °C, et en sort à 650 °C. Il est ensuite détendu à la pression de 77 bars dans une turbine. Une régénération prend place entre le CO2 détendu et celui qui entre dans le réacteur. Le CO2 entre alors dans le refroidisseur, dont il sort à 32,5 °C, avant d'être aspiré par le compresseur qui le porte à 200 bars.

Le rendement de ce cycle reste assez faible, voisin de 35 % avec un régénérateur d'efficacité 0,9 et des turbomachines de rendement polytropique égal à 0,9.

Dans un cycle avec recompression (figure ci-dessous), la compression est bi-étagée, avec refroidissement intermédiaire d'une partie seulement du fluide, ce qui permet de recycler une plus grande quantité de chaleur.

Le débit principal de CO2 (3 t/s) sortant de la turbine, passe dans un régénérateur à haute température (4-5) puis dans un second à basse température (5-6), avant d'être scindé en deux.

Une partie est refroidie dans un precooler (6-7), puis comprimée dans le compresseur principal de 77 à 200 bars (7-8), et réchauffée dans le régénérateur BT (8-9).

Le débit de CO2 restant est comprimé à 200 bars dans le recompresseur (6-8b), puis mélangé avec l'autre flux sortant du régénérateur BT (1), et le débit total est réchauffé dans le régénérateur HT (1-2) avant d'entrer dans le réacteur.

Le CO2 sortant du réacteur est alors détendu dans la turbine (3-4), et le cycle est ainsi fermé.

Dans ce cas, la température d'entrée dans le réacteur est plus élevée, et, avec les mêmes hypothèses que précédemment sur les rendements polytropiques des turbomachines (0,9) et les efficacités des échangeurs (0,9), le rendement dépasse 45 %. Des valeurs encore plus élevées sont espérées, de l'ordre de 50 %, avec des efficacités d'échangeurs avoisinant 95 %.

Les cycles au CO2 supercritiques apparaissent très intéressants sur le plan thermodynamique. Les deux principales contraintes technologiques sont la réalisation des régénérateurs notamment dans la zone circum-critique afin d'éviter tout croisement des températures, et celle de turbomachines efficaces pour le CO2, domaine dans lequel on ne dispose pas de références industrielles. Par ailleurs, ces cycles ne peuvent fonctionner que si l'état du CO2 en sortie du precooler est bien supercritique, ce qui implique une température limite de 32 °C, qui peut être difficile à atteindre lorsque la source froide est l'air extérieur, une rivière ou de l'eau de mer.

A titre d'exercice vous pouvez modéliser les deux cycles présentés ci-dessus (il est préférable que vous disposiez d'un serveur de propriétés thermodynamiques du type de CTP Lib pour représenter les propriétés du CO2). Leur corrigé succinct vous fournit les fichiers Thermoptim correspondants.

V. DOSTAL, M.J. DRISCOLL, P. HEJZLAR, N.E. TODREAS, A Supercritical CO2 Gas Turbine Power Cycle For Next-Generation Nuclear Reactors, Proc. ICONE-10, Arlington, Virginia, April 14-18, 2003.

V. DOSTAL, A Supercritical Carbon Dioxyde Cycle For Next-Generation Nuclear Reactors, PhD thesis, MIT, january 2004.