Cours 2024 sur les Cycles Thermodynamiques associés à des Réacteurs Nucléaires
Ce cours s'adresse à des étudiants souhaitant se former aux cycles thermodynamiques associés à des réacteurs nucléaires.
Il comporte quatre parties :
La première partie est une découverte des phénomènes physiques mis en jeu dans les réacteurs nucléaires et des différentes filières de réacteurs nucléaires actuelles et futures
La deuxième partie est une initiation à la thermodynamique appliquée aux systèmes énergétiques
La troisième partie est centrée sur l'amélioration des cycles moteurs à vapeur, qui sont ceux utilisés dans la plupart des centrales nucléaires actuelles
La quatrième partie porte sur l'étude des autres cycles, notamment ceux mettant en œuvre des turbines à gaz
Ce cours se donne comme objectif que ses apprenants d'une part acquièrent une solide culture de base de la modélisation des systèmes énergétiques utilisant la conversion de la chaleur, et d'autre part effectuent des approfondissements sur les cycles thermodynamiques associés aux réacteurs nucléaires.
Pour atteindre le premier objectif, il s'appuie sur l'approche pédagogique qui a fait ses preuves et qui a été retenue pour le Cours 2022 sur les systèmes énergétiques, dont plusieurs modules sont repris ici.
Même si certains sujets abordés comme celui des cycles de réfrigération ne sont pas directement utiles pour l'étude des cycles thermodynamiques associés aux réacteurs nucléaires, ils font partie de la culture de base des énergéticiens et doivent avoir été étudiés au moins de manière succincte.
Pour atteindre le second objectif, des modules spécifiques à la conversion de la chaleur produite dans les réacteurs nucléaires ont été développés.
Pour ce cours, nous adoptons le second mode, dit progressif, de notre approche pédagogique, qui s'adresse à des apprenants en licence, ou encore à des professionnels en activité. Ces apprenants ne sont pas particulièrement motivés par les aspects théoriques, tout en étant capables de les suivre s'il le faut.
Le mode progressif commence par une présentation allégée des bases de la conversion thermodynamique de la chaleur, qui fait l'objet de la deuxième partie du cours, et la complète ensuite en introduisant une démarche d'amélioration des cycles s'appuyant sur la comparaison avec le cycle de Carnot dans le diagramme entropique et sur les bilans exergétiques. Les exercices pratiques utilisent les explorations dirigées de modèles ainsi que quelques séances Diapason (Diaporama Pédagogiques Animés et Sonorisés).
Ce cours s'appuie sur les ressources publiées dans le portail Thermoptim-Unit, et réutilise en particulier des vidéos de nos MOOC CTC et un certain nombre de séances Diapason et d'activités d'auto-évaluation ou d'explorations dirigées de modèles.
Comme nous n'avons pas réenregistré ces vidéos, ne soyez pas surpris si quelques références subsistent aux autres ressources des MOOC. Il y en a peu et elles ne gênent en rien la compréhension du cours.
Comme indiqué ci-dessus, le cours comporte quatre grandes parties.
La première partie permet de découvrir les phénomènes physiques mis en jeu dans les réacteurs nucléaires et présente les principaux types de réacteurs nucléaires actuels et futurs.
Il est en effet préférable de commencer par rappeler certains concepts de base sur la structure de l'atome ainsi que les définitions des particules qui le constituent.
Précisons que dans cette première partie nous nous contentons d'une présentation succincte des cycles thermodynamiques associés, en indiquant uniquement leur type et leur puissance, les niveaux de pression et de température atteints, ainsi que les rendements obtenus. Des précisions complémentaires sont fournies dans les troisième et quatrième parties du cours.
Après des rappels sur la structure de l'atome et sur la fission de l'uranium, deux séances Diapason introduisent les principes de fonctionnement des réacteurs nucléaires.
Une troisième séance présente un panorama des principaux types de réacteurs nucléaires existants et à l'étude, qui diffèrent par les types de combustible, de spectre neutronique, de modérateur, de caloporteur, de cycle (direct/indirect) et de fluide thermodynamique retenus.
Elle est complétée par une exploration dirigée permettant aux apprenants de disposer d'une série de 14 fiches distinctes auxquelles ils pourront se référer en cas de besoin, et qui se termine par quatre cartes mentales présentant sous forme graphique les différents types de réacteurs, classés par modérateur, par caloporteur, par combustible puis caloporteur ainsi que par fluide thermodynamique.
Comme nous l'avons indiqué, il s'agit simplement à ce stade du cours d'une présentation sommaire des cycles thermodynamiques associés.
Une quatrième séance introduit la notion de génération de réacteurs nucléaires, très utilisée aujourd'hui pour classer les réacteurs civils.
La deuxième partie du cours commence par une initiation à la conversion thermodynamique de la chaleur : découverte des fonctions mises en jeu dans les composants des cycles élémentaires et des évolutions de référence subies par les fluides, tracé des cycles dans le diagramme enthalpie-pression, modélisation avec Thermoptim.
Dans un second temps, elle introduit de puissants concepts qui sont utilisés dans les deux autres parties : échangeurs de chaleur, définition de l'entropie et de l'exergie, bilans exergétiques, méthode du pincement.
A la fin de cette deuxième partie, nous présentons cette carte mentale qui classe les réacteurs nucléaires par type de cycle thermodynamique.
Elle montre clairement que les cycles à vapeur d'eau sont les plus utilisés ou considérés. C'est pourquoi la troisième partie traite de ces cycles.
Plus généralement elle montre aux apprenants comment ils peuvent utiliser les outils puissants introduits précédemment pour améliorer les performances des cycles moteurs à vapeur.
Le premier module de cette partie commence par des réflexions générales sur l'optimisation des cycles moteurs.
Les principaux cycles utilisés y sont ensuite successivement étudiés, illustrés par de nombreux modèles résolus avec Thermoptim et une vingtaine d'explorations dirigées.
Dans la quatrième partie du cours, nous commençons par étudier les cycles mettant en œuvre des turbines à gaz et ceux au CO2 supercritique, puis nous présentons les cycles combinés, qui associent généralement un cycle de turbine à gaz et un cycle à vapeur. Enfin, nous introduisons des technologies qui pourraient constituer un débouché significatif pour les réacteurs nucléaires, le dessalement de l'eau de mer et la production d'hydrogène à grande échelle, et nous terminons par les installations de cogénération qui présentent l'avantage de conduire aux meilleurs rendements globaux.
Progression pédagogique
Au fur et à mesure de l'avancement du cours, et donc de l'acquisition des connaissances par les apprenants, nous avons pris le parti de leur laisser davantage d'autonomie dans leur apprentissage. Un rappel des principales connaissances acquises est effectué à la fin de chaque module.
La première partie est organisée autour de quatre séances Diapason introductives, et d'un certain nombre d'activités d'auto-évaluation.
Dans la seconde partie, ils sont guidés pas à pas par de nombreuses vidéos et de multiples activités d'auto-évaluation destinées à leur permettre de s'assurer qu'ils ont bien compris le sens des concepts qui sont introduits.
A partir du cinquième module, le cours change de forme, avec des présentations plus sommaires et des renvois vers les pages du portail Thermoptim-Unit développant les sujets abordés.
Le nombre de vidéos et d'activités d'auto-évaluation diminue, certaines parties du cours étant encore introduites par des séances sonorisées Diapason.
Les apprenants sont de plus en plus encouragés à travailler par eux-mêmes, notamment avec les diverses explorations dirigées de modèles proposées.
Précisons que la Fondation UNIT a joué un rôle déterminant dans la préparation de ce cours par le soutien financier qu'elle a apporté au développement de l'ensemble des ressources numériques de ce portail.
Si vous souhaitez élargir votre étude des cycles de conversion thermodynamique de la chaleur au delà de ceux qui sont associés à des réacteurs nucléaires, n'hésitez pas à vous reporter au Cours 2022 sur les systèmes énergétiques.
