Cycles de centrales à vapeur associés à des réacteurs nucléaires
Deuxième module
Dans ce deuxième module, nous nous intéressons aux spécificités de certains cycles à vapeur associés à des réacteurs nucléaires.
Nous commençons par l'étude des cycles des réacteurs REP et REB, puis nous parlons des cycles supercritiques et des cycles à eau à température élevée. Nous disons quelques mots des cycles ORC qui peuvent trouver des applications pour les petites puissances, avant de nous intéresser aux cycles dits binaires, qui peuvent présenter de l'intérêt pour minimiser les besoins en eau de refroidissement.
Le volume horaire est d'environ 3 h 30 de travail, dont 20 mn de vidéos.
Thème 1 : Centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP), à eau lourde (CANDU) et à eau bouillante (REB)
Maintenant que nous avons une vue d'ensemble de la manière dont le cycle simple de la centrale à vapeur peut être amélioré, nous pouvons entrer dans le vif du sujet et nous intéresser dans cette vidéo au cycle thermodynamique des centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP), qui constituent une grande partie du parc électronucléaire dans le monde.
Rappel : pour un récapitulatif sur les réacteurs à eau pressurisée REP, vous pouvez vous référer à leur fiche du panorama présenté dans la première partie du cours.
Comme nous le verrons plus loin, ce cycle très particulier est aussi utilisé pour les centrales nucléaires à eau lourde (CANDU) et à eau bouillante (REB).
La figure ci-dessous montre la structure du modèle de sécheur-surchauffeur qui constitue une des particularités du cycle thermodynamique associé aux centrales nucléaires de type REP.
Remarques
Compte tenu des hypothèses faites, le paramétrage du sécheur-surchauffeur dépend uniquement de deux grandeurs :
la fraction de vapeur qui est soutirée en sortie du GV
la moyenne pression en sortie de la première détente
C'est lui qui permet d'effectuer une resurchauffe de la vapeur à moyenne pression et d'améliorer le cycle.
Schéma simplifié du cycle N4
La figure ci-dessous correspond au cycle simplifié d'une centrale REP de type N4, avec un paramétrage légèrement différent de celui de la vidéo.
Cette page de la documentation d'EDF comporte plusieurs animations qui montrent comment fonctionnent les centrales nucléaires de type REP.
Ces trois animations de la Marine Nationale illustrent le fonctionnement des chaufferies nucléaires du type REP qui équipent les sous-marins nucléaires et le porte-avions Charles de Gaulle.
La première animation montre la chaufferie dans son ensemble. Elle permet de se rendre compte de la taille du dispositif
La seconde indique les noms des différents éléments qui composent la chaufferie. La partie rouge correspond au circuit primaire qui refroidit le cœur du réacteur nucléaire. Le pressuriseur est placé à droite du schéma. Le générateur de vapeur est situé au-dessus du circuit primaire
La troisième visualise le rôle des crémaillères de réglage de la puissance thermique, qui sont actionnées par les deux moteurs situés à gauche et à droite de la cuve, dans la partie basse
L'ensemble des animations utilisées dans le MOOC CTC et réalisées par la Marine Nationale l'ont été par le Service TICE - Secteur API du Pôle Écoles Méditerranée, à Saint Mandrier. Précisons que ces médias et informations fournis par la Marine nationale l'ont été uniquement afin d'illustrer ce cours, et qu'à ce titre, leur exploitation hors contexte de ce vecteur de consultation nécessite l'accord de la Marine nationale.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Exploration dirigée CTRN-2
Ouvrez l'exploration dirigée CTRN-2 Centrale nucléaire REP et suivez les indications qui vous sont données.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
Exploration dirigée CTRN-2 Cycle des réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP)
Poste d'eau
L'étude des améliorations des cycles à vapeur présentée dans le module précédent a montré que les resurchauffes et les prélèvements ou soutirages permettent d'augmenter significativement les rendements.
En pratique, dans les centrales de forte capacité utilisées en production d'électricité, on a recours à plusieurs prélèvements (de 6 à 9), les différents réchauffeurs travaillant à des températures s'échelonnant de 30 à 50 °C, de telle sorte que l'eau sort de la bâche alimentaire à des températures élevées, supérieures à 150 °C. Des réchauffes complémentaires permettent d'atteindre plus de 220 °C à l'entrée du générateur de vapeur.
On appelle poste d'eau l'ensemble des échangeurs et des mélangeurs permettant de réchauffer l'eau qui sort du condenseur.
Schéma complet du poste d'eau d'un réacteur REP
Voici le schéma complet du cycle secondaire d'une centrale REP de type N4, avec en bleu dans la partie basse, le poste d'eau.
Un modèle Thermoptim du poste d'eau est donné ci-dessous. Il peut être séparé en deux parties reliées par la bâche alimentaire.
Il met en jeu six prélèvements, à des pressions de 28, 19, 10,5, 3,4, 0,96 et 0,233 bars, avec un tout petit appoint de vapeur vive pour le dernier réchauffeur.
Il permet de porter à 228,5 °C l'eau qui sort du condenseur à 39 °C, réduisant ainsi significativement les irréversibilités liées au réchauffement de l'eau en chaleur sensible.
On est loin du modèle simplifié que nous avons considéré jusqu'ici. Si on compare les bilans obtenus pour les deux modèles, on s'aperçoit que le rendement calculé par le modèle simplifié est légèrement sous-estimé (31,37 % au lieu de 36,4 %).
Dans la suite de ce cours, nous ne modéliserons pas les postes d'eau des centrales nucléaires que nous présenterons afin de ne pas alourdir leurs schémas. Sachez cependant qu'ils existent quasiment toujours.
Exploration dirigée CTRN-3
L'exploration dirigée CTRN-3 Poste d'eau vous permettra d'analyser plus en détail ce modèle.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
Exploration CTRN-3 Poste d'eau de centrale nucléaire REP
Remarques
Vous trouverez des compléments sur les centrales nucléaires REP dans cette page du portail Thermoptim-UNIT.
D'une manière plus générale, cette page vous présentera la filière nucléaire et les principaux types de réacteurs en service ou à l'étude.
Cycle thermodynamique d'un réacteur EPR du type Flamanville 3
Nous avons indiqué dans la séance Diapason CTRN-04 Générations de réacteurs nucléaires que les EPR (Evolutionary Power Reactors) sont des variantes de Génération III des réacteurs REP du type N4, dont la sécurité a été renforcée et dont le cycle thermodynamique est légèrement amélioré.
Cette figure montre le synoptique d'un modèle simplifié du cycle thermodynamique du réacteur EPR de Flamanville 3 entré en service en 2024.
Les conditions d'admission de la turbine HP sont légèrement plus élevées que celle du palier N4 : pression 75,2 bars au lieu de 56, température 291 °C au lieu de 271.
Le rendement calculé pour ce modèle simplifié est de 33,12 % au lieu de 31,4 % du fait de l'absence du poste d'eau, mais le rendement réel attendu est de 37 %, la température d'entrée dans le GV étant de 227 °C au lieu de 87,7 °C comme le suppose le présent modèle.
Cycle thermodynamique d'un réacteur VVER
Cette figure montre le synoptique d'un modèle simplifié du cycle thermodynamique d'un réacteur VVER russe, qui, comme nous l'avons vu dans le panorama de la première partie du cours, est une variante des réacteurs REP utilisés en France.
Rappel : pour un récapitulatif sur les réacteurs VVER, vous pouvez vous référer à leur fiche du panorama présenté dans la première partie du cours.
Centrales nucléaires à eau lourde de type CANDU
Bien qu'ils diffèrent des REP par leur modérateur, les réacteurs à eau lourde de type CANDU utilisent un cycle à vapeur secondaire analogue à celui des REP.
Rappel : pour un récapitulatif sur les réacteurs CANDU, vous pouvez vous référer à leur fiche du panorama présenté dans la première partie du cours.
Cette figure montre le synoptique d'un modèle simplifié du cycle thermodynamique du réacteur CANDU de la centrale canadienne de Pickering.
Centrales nucléaires à eau bouillante REB
Comme nous l'avons indiqué dans la vidéo, une des particularités du cycle thermodynamique des réacteurs REP est que la nécessité de transférer une puissance importante dans le GV interdit en pratique d'y réaliser toute surchauffe, car les coefficients d'échange entre le liquide primaire et la vapeur surchauffée seraient trop faibles
Ces mêmes contraintes existent aussi dans les réacteurs à eau bouillante REB, dans lesquels l'échange thermique se produit directement dans le cœur du réacteur, de telle sorte que leur cycle thermodynamique est analogue à celui des REP.
L'exemple que nous présentons ici est celui d'un réacteur RBMK.
Rappel : pour un récapitulatif sur les réacteurs RBMK, vous pouvez vous référer à leur fiche du panorama présenté dans la première partie du cours.
Cette figure montre le synoptique d'un modèle simplifié du cycle thermodynamique d'un réacteur RBMK russe.
Thème 2 : Centrales nucléaires à vapeur à haute température
Les cycles thermodynamiques à vapeur sont aussi utilisés associés à des réacteurs nucléaires permettant d'atteindre des températures beaucoup plus élevées que dans les REP et les REB.
Les cycles thermodynamiques sont alors analogues à ceux des centrales à charbon ou à fioul lourd.
C'est en particulier le cas pour deux des types de réacteurs que nous avons présentés dans la première partie, les AGR et les SFR.
Centrales de type Advanced Gas Reactor AGR
Rappel : pour un récapitulatif sur les réacteurs AGR, vous pouvez vous référer à leur fiche du panorama présenté dans la première partie du cours.
Cette figure montre le synoptique d'un modèle simplifié du cycle thermodynamique du réacteur AGR de la centrale écossaise de Torness. Dans ce réacteur, la température du cœur atteint 639 °C, et celle du CO2 qui sert de caloporteur est de 619 °C, ce qui permet d'obtenir des conditions de vapeur de 541 °C et de 173 bars en sortie du générateur de vapeur.
Centrales de type Sodium Fast Reactor SFR
Rappel : pour un récapitulatif sur les réacteurs SFR, vous pouvez vous référer à leur fiche du panorama présenté dans la première partie du cours.
Cette figure montre le synoptique d'un modèle simplifié du cycle thermodynamique d'un réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium russe, du type BN-600. La température du sodium en sortie de cœur atteint 550 °C, mais la présence d'un double circuit de refroidissement au sodium pour des raisons de sûreté a pour effet que la température de la vapeur n'est que de 505 °C.
Remarques
Thème 3 : Centrales à vapeur supercritiques
Remarques
Un fluide est à l'état supercritique lorsque sa pression est supérieure à sa pression critique Pc, ce qui, dans le diagramme des frigoristes, correspond au maximum de la courbe de saturation.
Le point critique est caractérisé par d'une part la pression critique Pc, et d'autre part la température critique Tc.
A titre d'exemple, pour l'eau, Pc = 221,2 bar, et Tc = 647,3 K.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons l'activité suivante :
Vous trouverez des compléments sur les centrales supercritiques dans cette page du portail Thermoptim-UNIT
Rappel : pour un récapitulatif sur les réacteurs SCWR, vous pouvez vous référer à leur fiche du panorama présenté dans la première partie du cours.
Thème 3 : Cycles organiques de Rankine (ORC)
Les cycles organiques de Rankine (Organic Rankine Cycle, ORC, en anglais) sont des variantes des cycles à vapeur à eau, qui sont utilisés soit lorsque la source chaude à partir de laquelle on souhaite produire de la puissance mécanique est à basse ou moyenne température, soit lorsque la puissance de l'installation est limitée, les performances des centrales à vapeur chutant dans ce cas. Ces cycles peuvent donc être associés à certains type de réacteurs nucléaires, notamment des SMR.
Dans ces conditions, les performances des cycles à vapeur d'eau se détériorent, et il devient préférable de recourir à d'autres fluides thermodynamiques.
Comme beaucoup de ceux-ci sont de nature organique, on a coutume de qualifier ces cycles d'organiques, mais d'autres types de fluides peuvent être employés, comme par exemple l'ammoniac utilisé dans le cycle que vous étudierez dans le prochain thème, ou encore le dioxyde de carbone.
Remarques
Deux préoccupations environnementales sont venues remettre en cause l'utilisation massive des fluides thermodynamiques, essentiellement ceux utilisés dans les machines de réfrigération et dans les cycles ORC : la rupture de la couche d'ozone et l'augmentation de l'effet de serre.
Dans cette rubrique du portail Thermoptim-UNIT, vous trouverez des présentations succinctes de cette problématique et des explications sur les critères à considérer lorsqu'on désire choisir un fluide thermodynamique pour une application donnée.
Pour vérifier votre compréhension de ce qui vient d'être dit, nous vous proposons les activités suivantes :
Vous trouverez des compléments sur les cycles ORC dans cette page du portail Thermoptim-UNIT
Thème 4 : Cycles binaires eau-ammoniac
L'un des inconvénients que présente l'utilisation de la vapeur d'eau comme fluide thermodynamique est la très grande valeur de son volume massique à basse température, qui a pour conséquence :
d'une part que les étages basse pression des grandes centrales ont des sections d'échappement gigantesques et des ailettes qui travaillent à la limite de la résistance mécanique du matériau ;
d'autre part que des pertes dites par vitesse restante apparaissent lorsque la température de condensation devient très basse, faisant chuter le rendement isentropique des derniers étages de détente de la turbine BP.
Pour pallier ces inconvénients, on envisage d'utiliser des cycles binaires eau / ammoniac dans lesquels on remplacerait la vapeur d'eau dans la partie terminale de sa détente à basse pression (à partir du moment où son volume massique devient très élevé) par de l'ammoniac qui, dans les mêmes conditions de température, est environ 120 fois plus dense.
Un modèle Thermoptim simplifié d'un tel cycle peut facilement être construit. Nous sommes repartis du modèle de référence d'une centrale française de type REP, palier N4, que nous avons étudié auparavant, et nous l'avons modifié comme suit :
la pression de fin de détente BP est passée de 0,07 bar (température de condensation de 39 °C), à 0 ,5 bar (température de condensation de 81,35 °C).
le condenseur du cycle à eau devient un condenseur-bouilleur : la chaleur cédée par l'eau sert à chauffer puis vaporiser de l'ammoniac à la pression de 35 bar (température de condensation de 72,5 °C).
un cycle du type ORC à ammoniac opère entre cette source chaude et un aéroréfrigérant.
Le schéma Thermoptim de ce cycle est donné dans la figure ci-dessous, le cycle ORC à ammoniac apparaissant sur la droite du cycle REP.
Dans ce cycle, l'ammoniac a un double rôle :
il transporte la chaleur entre la sortie de la turbine BP à vapeur d'eau et la source froide que constitue l'air ambiant ;
il sert de fluide de travail en se détendant dans une deuxième turbine qui remplace les étages basse pression de la turbine à vapeur d'eau.
La vapeur d'eau est condensée dans un condenseur/bouilleur constitué de faisceaux de tubes sur lesquels se produit la condensation de la vapeur d'eau, l'écart minimum de température entre les deux fluides étant de l'ordre de 10 °C. La vapeur d'ammoniac est ensuite détendue pour produire du travail dans une turbine à ammoniac entraînant un alternateur.
Après détente, cette vapeur se condense au contact de la source froide. Le transfert de chaleur entre la vapeur de l'ammoniac condensant et l'air se fait dans un aérocondenseur constitué par des tubes ailetés. Après condensation, l'ammoniac est renvoyé par pompage vers le bouilleur, bouclant ainsi le cycle à basse température.
Si l'utilisation de tours de refroidissement humides devait être remise en cause du fait de la croissance des contraintes environnementales (raréfaction des ressources en eau et réchauffement climatique), le recours à des cycles binaires de ce type pourrait se généraliser. Les récentes canicules ont en effet montré que les solutions actuellement mises en œuvre ne pourront continuer à l'être dans l'avenir si la température ambiante continue à augmenter.
Exploration dirigée CTRN-4
L'exploration dirigée CTRN-4 Cycle binaire eau-ammoniac vous permettra d'analyser ce cycle et de rechercher un paramétrage pertinent.
Ce document pdf correspond à cette exploration.
Exploration CTRN-4 Exploration d'un cycle binaire eau-ammoniac
Connaissances acquises
Grâce à ce programme, à la fin du module :
vous aurez étudié le fonctionnement du sécheur-surchauffeur utilisé dans les cycles nucléaires du type REP
vous aurez analysé le fonctionnement détaillé d'un poste d'eau
vous aurez étudié le fonctionnement des centrales à vapeur à haute température
vous connaîtrez les cycles supercritiques
vous serez familiarisé avec les cycles ORC
vous aurez compris l'intérêt des cycles binaires eau-ammoniac et saurez comment ils peuvent être modélisés
