Dans le troisième module, nous nous intéressons à deux types de cycles associés à des réacteurs nucléaires mettant en jeu des turbines à gaz :

• les cycles nucléaires à haute température (High Temperarure Reactor HTR en anglais)

• les cycles au CO2 supercritique

Son volume horaire est d'environ 2 h 30 de travail, dont 9 mn de vidéos.

Comme nous l'avons vu dans la troisième partie relative aux centrales nucléaires à vapeur, les rendements de presque tous leurs cycles sont relativement faibles, étant donné que la température du cœur ne dépasse pas 320 °C environ, à l'exception des centrales de type AGR et SFR.

• Bien que leur rendement soit très élevé, les dernières centrales nucléaires avancées au gaz (AGR) vont être progressivement arrêtées en raison de plusieurs facteurs, notamment leur âge avancé et les coûts élevés de maintenance et de mise à niveau.

• Bien que de nombreux exemples de centrales de type SFR aient été expérimentées, et que leurs performances soient plus élevées que celles des REP, des REB et des CANDU, très peu sont aujourd'hui opérationnelles. En effet, la technologie SFR est relativement complexe et nécessite une expertise technique élevée pour la concevoir, la construire et l'exploiter en toute sécurité. En outre, ces réacteurs nécessitent du combustible enrichi à des niveaux plus élevés que les réacteurs conventionnels, ce qui peut rendre leur approvisionnement plus difficile et plus coûteux. Enfin, il y a eu des préoccupations concernant la sécurité des réacteurs SFR en raison du risque de réactions en chaîne incontrôlées et de la possibilité de fuites de sodium.

Pour toutes ces raisons, l'idée d'utiliser un gaz comme fluide de travail a été explorée depuis de nombreuses années. Son intérêt principal est de permettre de faire fonctionner le cycle thermodynamique à des niveaux de température beaucoup plus élevés.

Les réacteurs à haute température qui avaient été étudiés dans les années 1960-1970, notamment en Allemagne et aux États-Unis, présentaient les caractéristiques suivantes :

• le combustible était conditionné sous forme de noyaux d'oxyde ou de carbure d'uranium, de plutonium ou de thorium, enrobés de pyrocarbone et de carbure de silicium censés empêcher les produits de fission de s'échapper des sphères de combustible ;

• le gaz caloporteur envisagé était l'hélium, afin d'atteindre des températures de l'ordre de 800 °C pour obtenir un rendement thermodynamique élevé de 40 % ;

• les réacteurs étaient du type à neutrons lents avec en général du graphite comme modérateur.

Leur schéma de principe est montré figure ci-dessous, pour le cas où le refroidissement du réacteur est assuré directement par le fluide thermodynamique.

Dans la vidéo ci-dessous, un exemple de ce type de cycle vous sera présenté.

Si vous le souhaitez, vous trouverez dans le portail Thermoptim-UNIT une fiche thématique sur ces cycles nucléaires à haute température (HTR), ou vous pouvez vous référer à leur fiche du panorama présenté dans la première partie du cours.

Remarques

Vous avez peut-être été surpris par l'importance de la consommation d'énergie du compresseur destiné à vaincre les pertes de charge dans l'échangeur intermédiaire IHX, alors que nous avons jusqu'ici toujours fait l'hypothèse dans les modèles précédents qu'elles étaient négligeables.

Dans ce modèle, l'IHX est dimensionné afin que l'écart de température entre le fluide primaire (l'hélium) et le fluide secondaire (le mélange azote - hélium) ne dépasse pas 50 °C.

Comme ces deux fluides sont des gaz et comme la puissance thermique à transférer est très importante, les sections de passage dans l'échangeur sont petites pour augmenter les coefficients d'échange thermique, ce qui fait que les pertes de charge sont élevées.

Exploration dirigée CTRN-5

Cette exploration dirigée vous permettra d'approfondir cette question.

Ouvrez l'exploration dirigée CTRN-5 Centrale nucléaire à haute température à échangeur intermédiaire et suivez les indications qui vous sont données.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

Bilan exergétique du cycle à haute température à échangeur intermédiaire

Le bilan exergétique est donné dans le tableau ci-dessus.

Le rendement exergétique global est élevé, proche de 55 %, et ceci malgré la présence de L'IHX, qui représente 10 % du total, tout comme l'intercooler.

Les principales sources d'irréversibilités sont le precooler, 21,7 % et le réacteur, 17 %.

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.

Comme cela a été expliqué dans la vidéo précédente, 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, un peu supérieur à 35 % avec un régénérateur d'efficacité 0,9, la turbine de rendement polytropique égal à 0,9 et le compresseur de rendement isentropique 0,85.

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 des turbomachines et les efficacités des échangeurs, le rendement est proche de 46,5 %. 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,

• la réalisation 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.

Le bilan exergétique du cycle à recompression est donné dans le tableau ci-dessous.

Le rendement exergétique global est élevé, proche de 58%,

La répartition des irréversibilités est la suivante : 46,8 % dans le cœur, 16 % dans le régénérateur HT dont la DTML est de 42,4 °C, 13,3 % dans le régénérateur BT dont la DTML est de 26,7 °C, et 10,6 % dans le precooler.

Exploration dirigée CTRN-6

L'exploration dirigée CTRN-6 Cycles nucléaires au CO2 supercritique reprend les analyses ci-dessus et les complète.

Ce document pdf correspond à cette exploration.

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.

Grâce à ce programme, à la fin du module, vous :

• aurez étudié différents cycles nucléaires utilisant un gaz comme fluide thermodynamique envisagés pour le futur

• aurez analysé les cycles au CO2 supercritique et aurez appliqué la démarche d'amélioration à leur conception

• serez familiarisés avec les difficultés rencontrées lors de leur modélisation