Qu’est-ce que l’efficacité thermique des centrales nucléaires – Définition

Efficacité thermique des centrales nucléaires

Le rendement thermique de la conversion de l’ énergie thermique en travail est principalement déterminé par la différence entre les réservoirs de température chaud et froid. Le rendement thermique est amélioré si la chaleur introduite par la vapeur dans la turbine à vapeur est à une température aussi élevée que possible et si la chaleur rejetée dans le condenseur est à une température aussi basse que possible. La température élevée dans un réacteur à eau légère est généralement limitée par des considérations de matériaux et de pression, tandis que la température de l’évier est limitée par l’environnement.

En règle générale la plupart des centrales nucléaires fonctionne à condensation des turbines à vapeur à plusieurs étages . Dans ces turbines, l’étage haute pression reçoit de la vapeur (cette vapeur est une vapeur presque saturée – x = 0,995 – point C sur la figure; 6 MPa ; 275,6 ° C) d’un générateur de vapeur et l’échappement vers le séparateur-réchauffeur d’humidité (point D ). La vapeur doit être réchauffée afin d’éviter des dommages pouvant être causés aux aubes de turbine à vapeur par de la vapeur de qualité inférieure . Le réchauffeur réchauffe la vapeur (point D), qui est ensuite dirigée vers l’étage basse pression de la turbine à vapeur, où elle se détend (points E à F). La vapeur évacuée se condense ensuite dans le condenseur et se trouve à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (pression absolue de0,008 MPa ) et se trouve dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité voisine de 90%.

Dans ce cas, les générateurs de vapeur, les turbines à vapeur, les condenseurs et les pompes d’alimentation constituent un moteur thermique, soumis aux limitations de rendement imposées par la deuxième loi de la thermodynamique . Dans des cas idéaux (pas de friction, processus réversibles, conception parfaite), ce moteur thermique aurait une efficacité Carnot de

η = 1 – T _froid / T _chaud = 1 – 315/549 = 42,6%

lorsque la température du réservoir d’eau chaude est de 275,6 ° C (548,7K), la température du réservoir d’eau froide est de 41,5 ° C (314,7K). Mais la centrale nucléaire est le véritable moteur thermique , dans lequel les processus thermodynamiques sont irréversibles. Ils ne se font pas infiniment lentement. Dans les appareils réels (tels que les turbines, les pompes et les compresseurs), un frottement mécanique et des pertes de chaleur entraînent des pertes d’efficacité supplémentaires.

Par conséquent, les centrales nucléaires ont généralement un rendement d’environ 33%. Dans les centrales nucléaires modernes, l’efficacité thermodynamique globale est d’environ un tiers (33%); une puissance thermique de 3 000 MWth provenant de la réaction de fission est donc nécessaire pour générer 1 000 MWe d’énergie électrique.

Pression de la chaudière

Selon le principe de Carnot, des rendements plus élevés peuvent être atteints en augmentant la température de la vapeur. Mais cela nécessite une augmentation des pressions à l’intérieur des chaudières ou des générateurs de vapeur. Cependant, des considérations métallurgiques imposent des limites supérieures à ces pressions. Afin d’empêcher l’ébullition du liquide de refroidissement primaire et de fournir une marge de sous-refroidissement (la différence entre la température du pressuriseur et la température la plus élevée dans le cœur du réacteur), des pressions d’environ 16 MPa sont typiques pour les REP . La cuve sous pression du réacteur est l’élément clé qui limite le rendement thermique de chaque centrale nucléaire, car elle doit résister à des pressions élevées.

De ce point de vue, les réacteurs à eau supercritiques sont considérés comme une avancée prometteuse pour les centrales nucléaires en raison de son efficacité thermique élevée (~ 45% contre ~ 33% pour les REO actuels). Les SCWR fonctionnent à une pression supercritique (supérieure à 22,1 MPa).

Pression du condenseur

Le cas de la diminution de la température moyenne à laquelle l’énergie est rejetée, nécessite une diminution de la pression à l’intérieur du condenseur (c’est-à-dire la diminution de la température de saturation ). La pression de condensation la plus basse possible est la pression de saturation correspondant à la température ambiante (c’est-à-dire une pression absolue de 0,008 MPa, ce qui correspond à 41,5 ° C). L’objectif de maintenir la pression d’échappement de turbine pratique la plus basse est une raison principale pour inclure le condenseur dans une centrale thermique. Le condenseur fournit un vide qui maximise l’énergie extraite de la vapeur, résultant en une augmentation significative du travail net et de l’efficacité thermique. Mais aussi ce paramètre (pression du condenseur) a ses limites d’ingénierie:

• La diminution de la pression d’échappement de la turbine diminue la qualité de la vapeur (ou la fraction de sécheresse). À un certain point, l’expansion doit être interrompue pour éviter les dommages qui pourraient être causés aux pales de la turbine à vapeur par une vapeur de mauvaise qualité .
• La diminution de la pression d’échappement de la turbine augmente considérablement le volume spécifique de vapeur d’échappement, ce qui nécessite d’énormes pales dans les dernières rangées de l’étage basse pression de la turbine à vapeur.

Dans une turbine à vapeur humide typique, la vapeur d’échappement se condense dans le condenseur et se trouve à une pression bien inférieure à la pression atmosphérique (pression absolue de 0,008 MPa, ce qui correspond à 41,5 ° C). Cette vapeur est dans un état partiellement condensé (point F), typiquement d’une qualité proche de 90%. Notez qu’il y a toujours une différence de température entre (autour de ΔT = 14 ° C) la température du condenseur et la température ambiante, qui provient de la taille finie et de l’efficacité des condenseurs.