Etude d’un cycle organique de Rankine couplé à un système passif innovant : application aux réacteurs nucléaires avancés

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la mise au point de systèmes passifs dans l’architecture de systèmes de sauvegarde de réacteurs à eau pressurisés (REP) avancés.Lors de l’arrêt de la réaction nucléaire au sein du cœur du réacteur, les produits de fission présents dans le cœur continuent de produire de la chaleur : il s’agit de la puissance résiduelle du cœur du réacteur. Une solution pour évacuer cette puissance consiste à venir utiliser une grande quantité d’eau placée en hauteur, qui par convection naturelle, va permettre d’évacuer cette chaleur résiduelle : on parle de condenseurs passifs de sûreté. On dispose ainsi de volumes d’eau très importants qui s’échauffent jusqu’à ébullition et pendant une durée relativement longue.L’idée motrice est donc d’utiliser une partie de l’énergie stockée dans ce volume d’eau bouillante pour servir de source chaude à un cycle thermodynamique au travers d’un échangeur de chaleur immergé. La puissance produite par le cycle permettra d’alimenter en électricité et de façon autonome divers organes utiles au fonctionnement, en complément de moyens existants.Cette problématique rejoint un enjeu majeur de l’efficacité énergétique : celui de la valorisation de la chaleur fatale industrielle ou renouvelable (biomasse, solaire, géothermale) à faible et moyenne température (<150∘C) en électricité. Une solution possible pour exploiter cette chaleur est l’utilisation d’un cycle de Rankine à fluide organique (ORC), système mis en œuvre tant à l’échelle du laboratoire qu’à l’échelle industrielle depuis une dizaine d’années.Deux singularités liées au contexte de ce travail résident dans la nature de la source chaude et dans l’exigence de fiabilité et de robustesse de ce système ; ces deux difficultés majeures s’ajoutent aux contraintes habituellement demandées à ce type de cycle : maximisation de la performance énergétique, respect de l’environnement et minimisation de l’encombrement.L'objectif de la thèse a été d'étudier le comportement de ce système complexe basé sur un cycle ORC, par une approche associant la modélisation et de l'expérimentation, et ainsi d'apporter une contribution à la démonstration de fiabilité de la solution retenue. De façon plus précise, un modèle théorique a permis de dimensionner un banc d’essais expérimental représentant le couplage entre un ORC et une cuve d’eau bouillante. Ainsi a été étudiée expérimentalement le fonctionnement satisfaisant du cycle ainsi que son adaptabilité à certaines conditions hors nominales telles que l’augmentation de la température de source froide, la présence de gouttelettes de liquide en entrée de la turbine ou encore les conséquences d’une variation de la quantité de fluide de travail dans le circuit ORC. L’ensemble de ces critères off-design ont démontré une fiabilité intéressante des ORC dans la gamme étudiée et ce, pour plusieurs fluides de travail (NOVEC649, HFE7100). Des études d’architecture propres au couplage ORC et cuve d’eau ont aussi été menées, notamment sur la position de l’évaporateur immergé dans la cuve et sur la variation de puissance imposée.L’ensemble de ces résultats expérimentaux ont permis de valider les modèles théoriques et les simulations numériques réalisées avec le logiciel EES. Ces modèles, ont enfin permis de réaliser un dimensionnement à l’échelle industrielle de l’ORC ainsi que de proposer des recommandations. Celles-ci portent notamment sur le choix du fluide de travail au travers d’une analyse multicritère et sur l’architecture du couplage ORC et piscine condenseur.