Le REDT, un précurseur des RNR-G - CEA

MÉMOCCycles thermodynamiqueset conversion d’énergiePour convertir à grande échelle de lachaleur en électricité, il faut mettreen œuvre un cycle thermodynamique. Lerendement η de la conversion est toujoursinférieur au rendement de Carnot:T fη =1- ----où T c est la température de la sourcechaude et T f la température de la sourcefroide.D’une manière générale, on distingue enmatière de conversion d’énergie le cycledirect, dans lequel le fluide issu de lasource chaude actionne directement ledispositif utilisateur (turbo-alternateurpar exemple) et, par opposition, le cycleindirect où le circuit caloporteur est distinctde celui qui effectue la conversionproprement dite de l’énergie. Le cycleindirect combiné peut ajouter à ceschéma une turbine à gaz et, par l’intermédiaired’un générateur de vapeur,une turbine à vapeur.Tout système construit autour d’un réacteurnucléaire est une machine thermiquemettant eu œuvre ces principes de lathermodynamique. Comme les centralesthermiques classiques brûlant des combustiblesfossiles (charbon, fioul), les centralesnucléaires utilisent la chaleur provenantd’une “chaudière”, en l’occurrencedélivrée par les éléments combustiblesoù se déroulent les fissions. Cette chaleurest transformée en énergie électrique1entréed’airT ccompresseurcombustibleFigure.Cycle de Brayton utilisé pour une turbine à gaz à cycle ouvert.en faisant subir à un fluide (de l’eau dansla plupart des réacteurs actuellement enservice) un cycle thermodynamique indirect,dit de Rankine (ou de Hirn-Rankine),qui consiste en une vaporisation de l’eauà pression constante au niveau de lasource chaude, une détente de la vapeurdans une turbine, une condensation de lavapeur sortant à basse pression de la turbine,et une compression de l’eau condenséeafin de ramener cette eau à la pressioninitiale. Dans ce schéma, le circuitd’eau qui circule dans le cœur (circuit primaire,voir Mémo A : Les éléments d’unsystème nucléaire) est distinct de celui quieffectue la conversion proprement ditede l’énergie. Avec une température maximalede vapeur de quelque 280 °C et unepression de 7 MPa, le rendement énergétiquenet (ratio de la puissance électriqueproduite sur la puissance thermiquedégagée par le cœur du réacteur)est de l’ordre d’un tiers pour un réacteurà eau sous pression de 2 e génération.Celui-ci peut passer à 36-38 % pour unREP de 3 e génération comme l’EPR, enaugmentant la température, car l’équationde Carnot montre bien l’intérêt deproduire de la chaleur à haute températurepour obtenir un rendement élevé.De fait, augmenter la température ensortie de cœur d’une centaine de degréspermet un gain en rendement de plusieurspoints.turbine2 3 4chambre decombustiongaz brûléspuissancemécaniqueLes propriétés thermodynamiques d’ungaz caloporteur comme l’hélium permettentd’aller plus loin, et de viser unetempérature d’au moins 850 °C en sortiede cœur. Pour en profiter pleinement,il est théoriquement préférable d’utiliserun cycle direct de conversion d’énergie,le cycle de Joule-Brayton, où le fluide sortantdu réacteur (ou de tout autre “chaudière”)est envoyé directement dans laturbine qui entraîne l’alternateur, commec’est le cas dans les centrales électrogènesau gaz naturel et à cycle combiné ouencore dans un réacteur d’avion. Avec cecycle, il est même possible de porter lerendement de production d’électricité de51,5 % à 56 % en faisant passer T1 de850 °C à 1 000 °C.En effet, depuis un demi-siècle, l’utilisationdu gaz naturel comme combustiblea conduit au développement spectaculairedes turbines à gaz (TAG) qui peuventfonctionner à des très hautes températures,supérieures au millier de °C. C’estce type de conversion d’énergie qui constitue,pour les réacteurs nucléaires dufutur, une alternative séduisante aux turbinesà vapeur.Les cycles thermodynamiques des TAGsont très largement utilisés, qu’il s’agissedes systèmes de propulsion ou des grandescentrales électrogènes à combustiblefossile. Ces cycles, nommés cycles deBrayton (figure), consistent simplementà aspirer et comprimer de l’air pour l’injecterdans une chambre de combustion(1→2), brûler le mélange air-combustibledans la chambre de combustion (2→3),détendre les gaz brûlés dans une turbine(3→4). À la sortie de la turbine, les gazbrûlés sont relâchés dans l’atmosphère(c’est la source froide), ce cycle est doncqualifié d’ouvert. Si la source chaude estun réacteur nucléaire, il devient très difficilede fonctionner en cycle ouvert avecde l’air (ne serait-ce que parce qu’il fautrespecter le principe des trois barrièresde confinement entre le combustiblenucléaire et l’environnement). Pour fermerle cycle, il suffit d’ajouter un échangeuren sortie de turbine, pour refroidirle gaz (via un échangeur vers la sourcefroide) avant de le ré-injecter dans le compresseur.La nature du gaz n’est alorsplus imposée par la combustion.