Les événements récents ont suscité un regain d'intérêt pour l'énergie nucléaire, notamment ce que l'on appelle les Small Modular Reactors ou SMR, de taille beaucoup plus réduite (entre 30 et 340 MWe) que les réacteurs à eau pressurisée REP de grande puissance qui constituent l'essentiel du parc nucléaire dans le monde (de 900 à 1650 MWe).

Dans le cadre du dispositif « Réacteurs nucléaires innovants » de France 2030, huit projets innovants ont été sélectionnés en 2023, en complément du projet Nuward lancé quelques années plus tôt. Signalons que l'un d'entre eux, celui de Renaissance Fusion vise des puissances de l'ordre du GW.

Ce dispositif cherche à relancer la filière nucléaire en mettant l'accent sur l'innovation avec l'émergence de nouveaux réacteurs nucléaires de petite taille et la formation aux métiers du nucléaire. Cet effort répond notamment au besoin de décarbonation de l'énergie en maintenant l'objectif d'atteindre la neutralité carbone d'ici 2050.

Les types de réacteurs correspondant aux projets sélectionnés sont les suivants :

• réacteurs à eau pressurisée (REP) :

• réacteurs à neutrons rapides refroidis au sodium (sodium fast reactors ou SFR) :

• réacteurs à très haute température (high temperature reactors ou HTR) ;

• les réacteurs à neutrons rapides refroidis au gaz (gas fast reactors ou GFR) ;

• les réacteurs à neutrons rapides refroidis au plomb (lead fast reactors ou LFR) ;

• les réacteurs à sels fondus (molten salt reactors ou MSR) ;

• les stellarators destinés à la production d'électricité par fusion

Le tableau ci-dessous résume les principales caractéristiques qui ont une influence sur les cycles thermodynamiques pouvant être couplés à ces SMR : puissances thermiques et électriques en MW, température du cœur en °C.

Beaucoup a été écrit sur ces nouveaux réacteurs, dont la plupart proposent comme on le voit des technologies de cœur en rupture avec celles des réacteurs à eau pressurisée, mais très peu d'informations sont disponibles sur les cycles thermodynamiques qui leur seront couplés ainsi que sur les problèmes de conception et d'optimisation de ces cycles.

C'est pourquoi il nous a paru justifié de résumer dans cette page les principaux apports que peut fournir Thermoptim pour les besoins à la fois de formation et d'étude portant sur les cycles thermodynamiques couplés à des réacteurs nucléaires.

Dans la plupart des cas, ces cycles constituent le circuit secondaire du système, le circuit primaire étant celui qui sert au refroidissement du cœur du réacteur. La séparation des deux circuits est en effet généralement adoptée, essentiellement pour des raisons de confinement des matières radioactives et de sécurité.

Depuis plus de 25 ans, Thermoptim a permis d'effectuer des modélisations de nombreux cycles thermodynamiques couplés à des réacteurs nucléaires.

Le livre "Les cycles thermodynamiques des centrales nucléaires" édité par Thibaud Normand, Jessica Andreani, et Vincent Tejedor, et publié aux Presses des Mines fournissait déjà en septembre 2010 de nombreux exemples de tels modèles :

• centrales de deuxième génération dites CP0, type Fessenheim

• centrales nucléaires dites P4, type Paluel

• centrales nucléaires dites N4 (licence Westinghouse)

• centrales nucléaires de troisième génération EPR, type Flamanville

• centrales nucléaires de quatrième génération, type Superphénix et vapeur supercritique

• cycle direct à gaz à haute température GT-MHR

• cycle de Brayton indirect VHTR

• cycles au CO2 supercritique à réchauffe, précompression, inter-refroidissement

Un grand nombre de ressources pédagogiques sont disponibles dans ce portail pour se former à la thermodynamique appliquée aux systèmes énergétiques, et notamment aux cycles nucléaires.

Pour avoir une vue d'ensemble de l'approche que nous préconisons, nous vous suggérons de commencer par lire la page de présentation de notre méthode pédagogique, qui se démarque fortement des approches classiques.

Nous avons mis en ligne il y a un peu plus d'un an le cours 2022 sur les Systèmes Énergétiques qui propose un bon compromis pour ceux qui souhaitent faire l'apprentissage de cette discipline en limitant le plus possible les aspects théoriques tout en mettant en application les puissantes méthodes d'analyse exergétiques.

Bien que ce cours ne soit pas uniquement consacré aux cycles thermodynamiques des centrales nucléaires, la plupart de ceux-ci y sont présentés.

Une fois que vous aurez étudié l'ensemble de la première partie du cours et le début de la seconde partie sur les centrales à vapeur, où les réacteurs REP sont étudiés, vous pourrez passer directement au module sur les cycles à faible émission de CO2 de la troisième partie, qui traite des cycles à gaz à haute température et des cycles au CO2 supercritique.

Bien sûr, vous pourrez si vous le souhaitez découvrir les nombreux autres cycles non spécifiquement nucléaires présentés dans les autres modules des seconde et troisième parties.

Vous pourrez ensuite effectuer des approfondissements complémentaires en vous référant aux pages listées ci-dessous.

Ce cours en ligne 2022 sur les Systèmes Énergétiques présente l'avantage d'utiliser les explorations dirigées de modèles Thermoptim préconstruits pour vous initier à l'ensemble des cycles étudiés, en utilisant un outil appelé Navigateur Thermoptim très facile d'emploi.

Un module de formation dédié à la conversion thermodynamique de l'énergie nucléaire est aussi disponible dans le portail.

Ce module, créé vers 2010, utilise une approche pédagogique différente du cours précédent. Il s'appuie sur des séances de cours en ligne sonorisées appelées Diapason et vous apprend à créer par vous-même les modèles Thermoptim, ce qui est plus difficile qu'utiliser les explorations dirigées.

Plusieurs pages de ce portail permettent d'étudier les cycles thermodynamiques des centrales nucléaires :

• cycle à vapeur supercritique avancé. Une fiche thématique porte sur ce type de cycle. Signalons qu'elle n'est pas spécifique aux applications nucléaires, les cycles supercritiques étant aussi utilisés dans des centrales à flamme.

• centrales nucléaires à Eau Pressurisée (REP). Une fiche thématique présente ce type de centrale, et une fiche-guide de TD permet d'en modéliser une.

• cycles nucléaires à haute température (HTR). Cette fiche thématique présente quelques uns des principaux types de centrales HTR récemment considérés, dont des cycles combinés.

• cycles de production d'électricité au CO2 supercritique. Cette fiche thématique présente les principaux types de cycles au CO2 supercritique actuellement envisagés.

Dernièrement, de nouveaux modèles ont été développés, notamment en vue d'étudier le fonctionnement en régime non-nominal de tels cycles.

Un pilote pour générateur de vapeur de réacteur à eau pressurisée en régime non-nominal permet d'étudier un problème relativement complexe, celui de l'adaptation d'un générateur de vapeur de réacteur REP à la variation de ses conditions d'alimentation.

Il fait appel à classe externe TechnoSteamGenerator qui a été développée pour modéliser un évaporateur en régime non-nominal en distinguant les zones correspondant à l'économiseur, au vaporiseur et au surchauffeur.

Elle implémente pour cela le calcul des pertes de charge et la modification des pressions à l'intérieur du générateur de vapeur, le reste des calculs étant effectué de manière habituelle, ainsi qu'une méthode générique de prise en compte de l'ébullition nucléée.

Thermoptim dispose de deux catégories complémentaires d'outils d'optimisation des cycles :

• la méthode d'optimisation par intégration thermique

• les méthodes exergétiques

Méthode d'optimisation par intégration thermique

Si l'on fait abstraction du support théorique relativement complexe sur lequel elle repose (dérivé de la méthode du pincement avec distinction des irréversibilités de composants et systémiques), la méthode d'optimisation de Thermoptim est relativement simple à présenter et à mettre en œuvre. Une fiche-guide de TD et une exploration dirigée peuvent vous aider à vous familiariser avec elle.

Précisons qu'il s'agit d'une variante pour les systèmes énergétiques de la méthode de Linnhoff, cette dernière s'appliquant à la conception des réseaux d'échangeurs complexes mettant en jeu un grand nombre de fluides comme on en rencontre notamment dans le génie chimique.

Cette méthode se révèle très puissante lorsque l'on cherche à concevoir un réseau d'échangeurs permettant par exemple de réduire les irréversibilités internes d'un cycle combiné ou d'une installation de cogénération.

Méthodes exergétiques

L'analyse des performances des diverses technologies conduit de manière classique à calculer leurs bilans énergétiques. En complément, notamment lorsque l'on cherche à optimiser un système, l'établissement de son bilan exergétique présente un grand intérêt, car ce bilan permet de quantifier les irréversibilités qui prennent place dans ce système.

Dresser un bilan exergétique ne pose pas en soi de difficulté particulière mais demande à être fait avec grand soin faute de quoi des erreurs peuvent être commises car ces bilans ne sont pas conservatifs. Divers outils permettant de dresser des bilans exergétiques sont proposés dans ce portail : un guide méthodologique et un tableur pour les systèmes simples, le recours aux structures productives qui permettent d'automatiser la construction de ces bilans pour des systèmes simples ou complexes.