Transformation Énergétique Dans Les Centrales Nucléaires

Master : Energétique Conversion d’énergie

Centre Universitaire de NAAMA

2015/2016

Enseignant responsable de l’UED1.1 : KAID Noureddine

Master 1 – Conversion d’énergie

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Rappel

Système thermodynamique : Un système thermodynamique est une portion d’espace limitée

par une surface fermée, encore appelé volume de contrôle, qui contient une certaine quantité

de matière. Cette surface fermée, encore appelée frontière du système peut être fixe ou mobile.

Tout ce qui est au-delà de la frontière est appelé milieu extérieur.

Lorsque la frontière du système est imperméable à la matière (étanche), le système est dit fermé.

Un système qui non seulement est imperméable à la matière, mais en outre n’échange ni chaleur

ni travail avec le milieu extérieur est dit isolé.

Lorsque la frontière d’un système (ou certaines portions de celle-ci) sont traversées par un débit

de masse, le système est dit ouvert. On donne aux portions de la frontière traversées par un débit

le nom de sections d’entrée et de sortie, selon que le sens du débit.

Variables et états d’une substance :

On sait que les matières, l’eau par exemple, peuvent se présenter sous diverses formes, à savoir

solide, liquide et gazeuse, chaque forme pouvant exister à différentes pressions et températures,

que l’on désigne sous le nom d’état thermodynamique.

Centre Universitaire NAAMA 2015/2016 _N.Kaid

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L’état thermodynamique d’une substance se caractérise par certaines variables macroscopiques

observables telles que la pression, la température, la masse volumique, que l’on appelle variables

d’état. Comme le nom l’indique, leur valeur ne dépend que de l’état de la substance, et non du

processus qui l’a amené dans cet état.

Les variables d’état se divisent en deux catégories : les variables intensives et les variables

extensives. Les variables intensives peuvent se définir en tout point d’un système ( p, T), alors que

les variables extensives ne sont définies que pour un système dans son entièreté (p. ex. m, V).

Le principe zéro de la thermodynamique :

Deux corps qui sont chacune en équilibre thermique avec un troisième corps sont en équilibre

thermique entre eux.

Le 1er principe de la thermodynamique :

La conservation de l'énergie le principe

La quantité d'énergie acquise par un système est égale à la quantité d'énergie perdue par

l'environnement.

Le 2eme principe de la thermodynamique :

Établit l'irréversibilité des phénomènes physiques, en particulier lors des échanges thermiques. Le

second principe introduit la fonction d'état entropie : S, usuellement assimilée à la notion de

désordre qui ne peut que croître au cours d'une transformation réelle.

L'expression a été formulée par Clausius. On l'appelle encore inégalité

de Clausius. C'est une autre façon d'exprimer le second principe.


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a. Transformation énergétique dans les

Centrale Nucléaire a. Principe de fonctionnement

Une centrale nucléaire a pour objectif de produire « à la demande » du courant électrique.

Le cœur d’une centrale nucléaire est un réacteur ou se produit à volonté une réaction de

fission en chaine contrôlée libérant de l’énergie. Quatre constituants sont nécessaires pour

concevoir un réacteur nucléaire :

Un combustible (Radioactif 235U ou 239Pu) dans lequel se produit la fission.

Un fluide caloporteur liquide ou gazeux, qui transporte la chaleur hors du cœur du

réacteur pour ensuite actionner une turbine (turboalternateur) permettant la

production d’électricité.

Un modérateur (substance qui ralentit la vitesse des neutrons sans les absorber,

permettant ainsi une réaction nucléaire en chaîne efficace) :

o de l'hydrogène : réacteur à eau légère,

o du deutérium : réacteur à eau lourde

o du carbone : réacteur au graphite.

Un moyen pour contrôler la réaction en chaine :

o Des barres de commandes constituées de matériaux absorbant les

neutrons que l’on fait plus ou moins rentrer dans le cœur du réacteur.

o Des corps dissout dans le fluide caloporteur dont en peut varier la

concentration au cours du temps (ex : l’acide borique).

1-La fission consiste à bombarder des noyaux lourds (ex : 235U ou 239Pu) par des neutrons

pour obtenir deux atomes plus petits de l’énergie et des neutrons. C'est cette énergie qui est

utilisée dans les réacteurs nucléaires. Les neutrons libérés peuvent alors aller percuter un autre

atome lourd qui va se diviser en deux a son tour, etc. C'est la réaction en chaine.


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La réaction en chaine est maintenue dans le cœur du réacteur si :

Le nombre de neutrons produits par les fissions des atomes lourds = au nombre de

neutrons qui disparaissent (par exemple absorbes par 238U ou matière absorbante de

neutrons). Le rapport de ces deux nombre doit être égal à k=1 (On parle de Criticité).

K Facteur de multiplication des neutrons :

o Si k <1 (situation sous critique) : le système ne peut pas entretenir une réaction en

chaîne, et toute chaîne finit par s'éteindre.

o Si k = 1 (situation critique) : chaque fission engendre en moyenne une autre fission,

ce qui conduit à un niveau de réaction (et de puissance) constant.

o Si k >1 (situation super critique) : pour chaque fission qui apparaît dans la matière

fissible, il y aura en moyenne k fissions à la génération suivante. Le nombre de

fissions croît exponentiellement. Les armes nucléaires sont conçues pour

fonctionner dans cet état.


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Les différentes filières de réacteurs : Plusieurs technologies permettent de transformer

l'énergie issue de la réaction de fission en électricité. On les caractérise par famille en

fonction des composants principaux : combustible, modérateur (ou absence de

modérateur) et caloporteur. A l'heure actuelle, trois principales filières sont développées

dans le monde :

1- Filière à eau « ordinaire » ou « légère » et à uranium enrichi en 235U.

2- Filière à eau « lourde » et à uranium naturel.

3- Filière à neutrons rapides et à combustible plutonium et uranium naturel.

On ne va décrire que le principe de la filière (1). Dans cette filière, il existe deux types de

réacteurs : les Réacteurs a Eau Pressurises ou sous pression (REP ou PWR) et les Réacteurs

a Eau Bouillante (REB ou BWR). Plus de 80% du pare des centrales nucléaires en

fonctionnement dans le monde est constitué de réacteurs exploitant cette filière. Les

réacteurs REP sont les plus utilisés dans le monde (62% du pare actuel en puissance

installée).

Dans les REP et REB, l'eau joue le rôle de fluide caloporteur et de modérateur.

- Les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP)

Le cœur du réacteur avec le combustible nucléaire est placé dans une cuve elle-même en

contact avec de l’eau, la réaction nucléaire échauffe les assemblages du combustible qui

chauffe à son tour l’eau (eau primaire à haute pression 155 Atm) la haute pression

empêche cet eau de devenir vapeur. Grace aux pompes primaires cette eau circule en

circuit fermé entre la cuve du réacteur et le générateur de vapeur GV. Le GV est un

échangeur qui transmet la chaleur du circuit primaire a un circuit secondaire qui n’est

jamais en contact avec le combustible, la vapeur généré est acheminé vers un

turboalternateur qui va produire de l’électricité, à la sortie du turboalternateur la vapeur

est retransformé en eau par un condensateur refroidi par de l’eau de mer ou de rivière ou

par de l’air frais d’un haut cheminée (dans un troisième circuit).

- Les Réacteurs à Eau Bouillante (REB)

Dans un REB, il n’y a pas d’eau dans un circuit secondaire, l’eau chauffée par les

assemblages du combustible nucléaire entre en ébullition à l’intérieur de la cuve. La vapeur

produite est acheminée vers le turboalternateur qui va produire de l’énergie électrique,

ainsi la vapeur va suivre le même trajet que dans le REP est sera refroidi pour être ramené

vers la cuve du réacteur


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b. Les composantes d’une centrale nucléaire type REP et REB


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Calculer la masse (g) d’U-235 consommée pour produire 1 MW d'énergie thermique

pour 1 jour. Notez qu'un mégawatt est une unité de puissance ou d'énergie par unité de

temps,

1 MW = 106 W = 106 joules/s 1 jour = 24 h = 24 * 3600 s

L'énergie libérée par la fission d'un atome U-235 est ~ 200 MeV, 1 ev = 1.6 × 10−19J

….calcul…

Par conséquent, 1 MW-Jour de l'énergie nucléaire consomme 1,05 g d'U-235


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c. Cycle Thermodynamique

La chose fondamentale à comprendre est qu’un REP ou REB convertit l'énergie nucléaire

en énergie électrique et il le fait en convertissant l'énergie nucléaire en premier lieu en

énergie thermique, puis la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique, qui

est finalement convertie en énergie électrique. La science de la thermodynamique traite

chacun de ces processus de conversion. Pour quantifier la façon dont chacun de ces

processus a lieu, nous devons comprendre et d'appliquer les lois de la thermodynamique

Principes de la conversion d’énergie

Un premier principe de base de la conversion de l'énergie peut être simplement énoncé

que :

« L'énergie ne peut être extraite qu’à partir d'un système d'écoulement. ».

Le deuxième principe peut être énoncé comme suit :

« Seuls les asymétries dans un système hydraulique, cinétique, thermodynamique ou

aérodynamique permettent l'extraction d'une partie de l'énergie disponible dans le

système. ».

Le troisième principe est tel que :

« L'existence d'un système de flux nécessite que seule une fraction de l'énergie disponible

peut être extraite à une caractéristique de l'efficacité du processus d'extraction de l'énergie,

avec le reste retourné à l'environnement. »

Définition d'un cycle thermodynamique

Un cycle thermodynamique est défini comme une série de processus au cours de laquelle

une substance commence dans un certain état et revient à son état initial. Considérons la

figure. 1, elle montre un tel cycle, dans lequel un système à partir de l'état "1" et les

variations de volume et de pression à travers un chemin 1-2-3 pour revenir à son état

initial "1". figure. 1.


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L’efficacité de cycle de Carnot

. La chaleur est ajoutée à la substance en tant que Qa et la chaleur est extraite à un

dissipateur de chaleur en tant que Qr. Un moteur thermique tel qu'une turbine génère un

travail Wturbine, et le fluide est mis en circulation à travers le système en utilisant une pompe

ou un compresseur par Wpompe. Dans la production d'énergie, le rendement thermique

global est défini comme : netth

a

Sortie travail netEntréedechaleu

WQr

po a rt

mpeturbine

ah

a

Q QQ Q

W W

Le cycle de Carnot est un processus idéal de production

de puissance. Il est le cycle le plus efficace qui est

concevable et peut être utilisé comme étalon de

comparaison pour tous les autres moteurs thermiques. Il

est constitué de quatre processus réversible, comme le

montre la Fig. 3 pour un réacteur idéalisé eau bouillante

(REB) :

1. Addition de chaleur isotherme à la température absolue Ta, du point 1 au point 2.

2. Rejection de chaleur isotherme à la température absolue Tr, du point 3 au point 4.

3. Détente isentropique dans une turbine du point 2 au point 3.

4. Compression isentropique dans une pompe ou un compresseur du point 4 au point1.

Étant donné que l'addition de chaleur et de rejet peuvent être exprimée en termes de la

variation d'entropie : ,a a r rQ T S Q T S

, , 1a r a r rcarnot carnot carnot

a a a

T S T S T T TT S T T

Vapeur

Pompe

Réacteur

Alternateur

Condenseur

Turbine

Chaleur

Absorbé Qa

Chaleur

Rejeté Qr

Figure 2

Figure 3 Cycle de Carnot pour un système REB idéal


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Le rendement du cycle de Carnot est inférieur à l'unité. Il augmente si la différence entre la

température de la chaleur ajoutée et la température de la chaleur rejetée est grande. Ainsi,

l'augmentation de Ta et l’abaissement de Tr devient un objectif de toute conception d’un

moteur thermique.

Il y a un contrôle limité sur le moyen de rejet de chaleur tel que l'air dans une tour de

refroidissement, ou un plan d'eau comme un étang, lac, rivière ou de l'océan.

L'augmentation de la température d’addition de chaleur devient l'objectif majeur de

l'ingénierie, justifiant l'utilisation des matériaux à haute température tels que la céramique.

Cycle de Rankine réversible à vapeur saturée

Le cycle de Rankine interne réversible pour un réacteur à eau sous pression idéalisée (REP)

est indiqué sur le schéma de la figure 5. La vapeur saturée au point 1 se développe au point

2 où elle est condensée au point 3 ensuite pompée à un point B. la chaleur est ajoutée dans

le réchauffeur du point B de l'eau d'alimentation au point 4, où il pénètre dans l'échangeur

de chaleur à 4. La chaleur est ensuite ajoutée dans l'échangeur thermique du point 4 au

point 1. Notez que même si l'ajout de chaleur dans le cœur est à une température TA, le

milieu de travail reçoit effectivement la chaleur à une température T1

Pompe Pompe

Réchauffeur

G.V

Figure 4 Réacteur REP

Figure 5 Diagramme T-


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L'efficacité thermique globale en termes de l'enthalpie de ce cycle devient :

1 2 3

1

( ) ( ),

( )pompe Bturbine

Rankine Rankinea B

W W h h h hQ h h

Normalement, pour un liquide de refroidissement le travail de pompage est négligeable,

donc : 1 23

1 3B Rankine

h hh h

h h

Maximiser l'efficacité du cycle de Rankine

Plusieurs approches se présentent pour augmenter le rendement thermique du cycle de

Rankine. Comme le montre la Fig. 6 le rendement thermique de référence est donnée par :

123412356

netth

a

W SurfaceQ Surface

1-L’abaissement de la pression du condenseur comme le montre la Fig. 6 conduit à une

nouvelle valeur de l'efficacité thermique. Ceci conduit évidemment à un rendement thermique

amélioré. 1 2341 2356

netth

a

W SurfaceQ Surface

2-Augmenter la pression de l'échangeur de chaleur comme montré sur la Fig. 7 conduit à la

nouvelle valeur de l'efficacité thermique. Dans ce cas, la nouvelle efficacité peut être plus

grande ou plus faible que le rendement initial. 12 3 412 3 5 6

netth

a

W SurfaceQ Surface

Figure 6 Diagramme T-S


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3-L'utilisation de surchauffe avec une limitation de température. Selon la Fig. 8 le rendement

thermique devient : 12 3 74

12 3 77 6net

tha

W SurfaceQ Surface

Encore une fois dans ce cas, la nouvelle efficacité peut être plus grande ou plus petite que le

rendement initial.




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c. Transformation énergétique dans les

Centrale Solaire Le nouveau mode Lecture vous permet de lire en toute sérénité. Le nouveau mode

Lecture vous permet de lire en toute sérénité. Mode Lecture. Le nouveau mode Lecture

vous permet de lire en toute sérénité..

d. Transformation énergétique dans les

Centrale Géothermique Le nouveau mode Lecture vous permet de lire en toute sérénité. Le nouveau mode

Lecture vous permet de lire en toute sérénité. Mode Lecture. Le nouveau mode Lecture

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