Le REDT, un précurseur des RNR-G - CEA

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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.
MÉMODQu’est-ce que la modélisationmulti-physique et multi-échelle ?La modélisation multi-physique etmulti-échelle est une approche deR&D relativement récente née de lanécessité de prendre en compte, dansla modélisation d’un système dont oncherche à prédire le comportement, tousles phénomènes, dans la pratique couplésentre eux, agissant sur (ou présentsdans) ce système. C’est la forme la pluscomplète de modélisation d’un enchaînementde phénomènes divers et d’ordresde grandeur très différents puisqu’ilen intègre toute la connaissance,théorique comme empirique, et ce à différenteséchelles, dans des briques élémentairesqu’il s’agit d’assembler.Sur le plan physique, elle prend encompte les couplages entre phénomènesélémentaires de nature différente.Dans le domaine de la physique desréacteurs, on couple par exemple lamécanique des structures, la neutroniqueet la thermohydraulique.Ce type de modélisation vise aussi à donnerune description des phénomènes àdifférentes échelles. Dans le domainede la physique des matériaux, il s’agirapar exemple de déduire les propriétésmacroscopiques d’un matériau polycristallinà partir de sa description àl’échelle la plus microscopique (l’atome),via des niveaux de description emboîtés(la dynamique moléculaire, la dynamiquedes dislocations). Tout le problèmeest de lier ces différents niveauxde description en utilisant la bonneinformation pour passer d’une échelleà l’autre sans discontinuité, de manipulerde façon modulaire ces lois decomportement valables à diverseséchelles (figure).C’est donc un calcul numérique composite,selon l’échelle spatiale considérée,qui fait “tourner” le modèle d’ensemble.D’autant plus composite queles chercheurs sont amenés à “enchaîner”des modèles déterministes et desmodèles probabilistes, soit parce qu’ilsn’ont pas la connaissance exhaustivedes mécanismes élémentaires en jeu,soit parce que la résolution numériquedes équations déterministes du systèmeserait difficile ou trop lourde. D’où lerecours à des méthodes comme cellede Monte Carlo, en particulier.Enfin, le multi-échelle raccorde, par destechniques de superposition, des modèlesnumériques à des échelles différentes.Cela permet, pour conserverl’exemple des matériaux, d’effectuer des“zooms” sur des zones particulièrementsensibles aux contraintes comme desFigure.L’amélioration de la fiabilité et de la rentabilité du combustible nucléaire nécessite unemodélisation fine dudit combustible (ici du MOX). Les caractéristiques microstructurales(porosité, taille et répartition des amas, taille de grain…) ont un impact direct surle comportement du crayon combustible sous irradiation, et donc sur la maniabilitédu réacteur ainsi que sur la durée de vie de ce crayon.fissures, des soudures ou des supports.La modélisation multi-physique etmulti-échelle pose donc de façon aiguële problème de la compatibilité et de lacohérence des codes de calcul qui constituentles briques élémentaires de ladescription. Mais les résultats sont à lahauteur de la difficulté: dans le domainedes matériaux métalliques, notamment,il est maintenant possible de mener unedémarche de prévision des propriétésmacroscopiques en partant des “premiersprincipes” de la physique atomiqueet de la dynamique moléculaire(voir note (1) p. 79) (méthode ab initio)en passant par la description physiquedes microstructures. Dans lenucléaire, l’étude des matériaux soumisà l’irradiation illustre bien cetteapproche, puisqu’il est enfin devenupossible de lancer un pont entre laconnaissance des défauts à l’échellemacroscopique et la modélisation desphénomènes de création des défautsponctuels à l’échelle atomique.Si la physique constitue évidemment lepremier niveau de ce type de modélisation,les deux autres sont mathématiqueet numérique, dans la mesure où ils’agit de raccorder entre eux des résultatsde mesures ou de calculs valablesà des échelles différentes, puis de mettreen œuvre les algorithmes élaborés.La modélisation multi-physique et multiéchellen’est donc rendue possible quepar la conjonction de deux progrès parallèles: celui de la connaissance des phénomènesélémentaires et celui de lapuissance de calcul informatique.Le CEA est l’un des rares organismes dansle monde à pouvoir développer une tellemodélisation multi-physique et multiéchelledans ses différents secteurs derecherche et de développement en concentrantun vaste ensemble d’outils de modélisation,d’expérimentation et de calcul luipermettant à la fois de démontrer la validitédes théories, la pertinence des technologieset de faire progresser les étudesde composants, tant dans le domainenucléaire (où s’effectuent d’ailleurs descouplages entre codes partiels CEA etEDF) que, par exemple, dans celui desnouvelles technologies de l’énergie.
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