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

Study of an organic Rankine cycle associated to an innovative passive system : application to advanced nuclear power plant

• Auteur / Autrice : Guillaume Lhermet
• Direction : Nicolas Tauveron, Nadia Caney
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des technologies des nouveaux matériaux (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pablo Rubiolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Paola Bombarda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Lemort, Brice Tremeac

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cycle de Rankine

Radioprotection

Mots clés libres

Sûreté nucléaire

Valorisation de la chaleur fatale

Cycle organique de Rankine

Nuclear power security

Waste heat recovery

Organic Rankine Cycle

Résumé

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.

This work contributes to the design of passive backup systems for pressurized water reactors (PWRs) in use today.The reactor core residual power is the heat produced by the fission products left over after the nuclear reaction in the core has stopped. Passive safety condensers are one method for eliminating this power by using a large amount of water placed very high up, allowing residual heat to be removed naturally through convection. This uses a large amount of water that takes a long time to heat up to boiling temperature.The fundamental concept is to use a portion of the energy contained in this volume of boiling water as a heat source for a thermodynamic cycle through an immersed heat exchanger. The cycle power output will be used to supplement existing resources by providing electricity to various operating components on its own.The conversion of low and medium-temperature (< 150 °C) industrial or renewable (biomass, solar, geothermal) waste heat into electricity is a key challenge in energy efficiency. The organic Rankine cycle (ORC), which has been used on both laboratory and industrial scales for about ten years, is one potential method for capturing this heat.The nature of the hot source and the requirement for robustness and reliability in the system are two peculiarities related to the context of this work. In addition to the typical constraints imposed on this type of cycle, such as maximizing energy performance, respecting the environment, and minimizing space requirements.The purpose of the thesis was to investigate the behaviour of this complex system based on an ORC cycle using a methodology that combined modelling and experimentation, and thereby contribute to proving the validity of the selected approach. More specifically, an experimental test bench simulating the coupling between an ORC and a boiling water tank was dimensioned using a theoretical model. Thus, the satisfactory operation of the cycle and its adaptability to specific non-nominal conditions, such as an increase in the cold source temperature, the presence of liquid droplets at the turbine inlet, or the effects of a the working fluid charge in the ORC circuit, were both experimentally investigated. The ORC in the studied range have proven to be extremely reliable for a number of working fluids (Novec649TM, HFE7100) based on all of these off-design criteria. Architectural studies that were specifically focused on the coupling of ORC and water tank were also completed, with particular attention paid to the position of the evaporator immersed in the tank and the imposed power variation.All of these experimental findings aided the numerical simulations and theoretical models of the EES software. Finally, using these models allowed us to size the ORC on an industrial scale and make suggestions. These are specifically related to the ORC and condenser pool coupling architecture, as well as the multi-criteria analysis used to select the working fluid.