Qu’est-ce qu’un réacteur à eau supercritique – SCWR – Définition

Réacteur à eau supercritique – SCWR

Le réacteur à eau supercritique (SCWR) est un concept de réacteur de génération IV fonctionnant à une pression supercritique (supérieure à 22,1 MPa). Le terme supercritique dans ce contexte désigne le point critique thermodynamique de l’eau (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa), et ne doit pas être confondu avec la criticité du cœur du réacteur , qui décrit les modifications de la population de neutrons dans le coeur du réacteur .

Le réacteur à eau supercritique peut être utilisé comme réacteur thermique ou comme réacteur à neutrons rapides , selon la conception du cœur. Le concept de réacteur à eau supercritique peut être basé sur une cuve sous pression classique , comme dans les REP industriels, ou sur des tubes à pression, comme dans les réacteurs CANDU.. La conception des réservoirs sous pression des réacteurs à eau supercritique est principalement développée dans l’UE, les États-Unis, le Japon, la Corée et la Chine, tandis que la conception du canal sous pression est développée principalement au Canada et en Russie. La conception de l’enceinte sous pression permet d’utiliser un circuit à haute pression traditionnel. La conception du canal de pression permet l’élimination passive de la chaleur due aux accidents et à la désintégration par rayonnement et par convection à partir des canaux répartis, même en l’absence de refroidissement actif et de fusion du combustible, ainsi que l’utilisation de flux de réacteurs à passes multiples permettant le réchauffage et la surchauffe.

Pour les conceptions de réservoir sous pression et de tube sous pression, un cycle de vapeur à passage unique a été envisagé, en supprimant toute recirculation du fluide de refroidissement à l’intérieur du réacteur. C’est comme dans les réacteurs à eau bouillante , la vapeur sera fournie directement à la turbine à vapeur et l’eau d’alimentation du cycle de vapeur sera renvoyée au cœur.

De même que le réacteur à eau supercritique peut utiliser de l’eau légère ou de l’eau lourde comme modérateur de neutrons . Comme on peut le constater, il existe de nombreuses conceptions SCWR, mais toutes les solutions ont une fonction clé, à savoir l’utilisation d’eau au-delà du point critique thermodynamique en tant que liquide de refroidissement primaire. Cette caractéristique permettant d’ augmenter le pic de température , les réacteurs à eau supercritique sont considérés comme une avancée prometteuse pour les centrales nucléaires en raison de son rendement thermique élevé (~ 45% contre ~ 33% pour les REO actuels).

Avantages et défis des SCWR

Comme son nom l’ indique, la caractéristique clé du SCWR est l’utilisation d’eau au-delà du point critique thermodynamique (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa) comme fluide de refroidissement primaire. Les conceptions SCWR ont des caractéristiques uniques qui offrent de nombreux avantages par rapport aux réacteurs à eau légère (LWR) actuels.

• Haute efficacité thermique. Étant donné que les SCWR fournissent de la vapeur supercritique à des pressions et températures beaucoup plus élevées que dans les LWR conventionnels, ils atteindront une efficacité thermodynamique plus élevée de la centrale (~ 45% contre ~ 33% pour les LWR actuels).
• Débit massique de liquide de refroidissement plus faible.  Le débit de refroidissement du réacteur du SCWR est beaucoup plus petit que celui du BWR et du PWR car la montée enthalpique dans le cœur est beaucoup plus importante , ce qui se traduit par des composants de faible capacité du système primaire. Ainsi, les pompes de refroidissement, les tuyaux et autres équipements de support deviennent plus petits. De plus, les seules pompes entraînant le liquide de refroidissement dans des conditions normales de fonctionnement sont les pompes à eau d’alimentation et les pompes d’extraction de condensats.
• L’enthalpie de vapeur plus élevée permet de diminuer la taille du système de turbine et ainsi de réduire les coûts d’investissement de l’îlot conventionnel.
• Plus petit inventaire de liquide de refroidissement. Le stock de liquide de refroidissement est plus petit, ce qui réduit la taille de l’ enceinte de confinement avec des piscines à suppression de pression.
• Étant donné que l’eau supercritique ne subit pas de changement de phase et qu’elle existe en une seule phase thermodynamique, la crise d’ébullition (c’est-à-dire le départ de l’ébullition nucléée – DNB ou dessèchement ) ne peut pas se produire .
• Avec un cycle direct de liquide de refroidissement supercritique, les composants tels que les sécheurs à vapeur, les séparateurs et les générateurs de vapeur sont entièrement supprimés, ce qui réduit le nombre de composants majeurs et élimine les coûts associés.
• De nombreux composants (par exemple, les turbines) sont facilement développés et disponibles dans les centrales électriques à combustibles fossiles supercritiques.

La combinaison de la technologie avancée des réacteurs refroidis à l’eau et de la technologie avancée des fossiles supercritiques devrait aboutir à un concept de réacteur qui peut être utilisé pour produire de l’électricité à charge de base de manière très économique et efficace. Cette caractéristique fait également du SCWR un concept très attrayant pour les services publics, en particulier ceux qui ont de l’expérience avec les réacteurs refroidis à l’eau et les centrales fossiles supercritiques.

D’un autre côté, de nombreux défis doivent être résolus avant la construction des premières centrales de ce type:

• Les matériaux de revêtement doivent résister à des températures plus élevées (600-650 ° C dans des conditions de fonctionnement normales) que dans les LWR d’aujourd’hui.
• Les phénomènes de transfert de chaleur de la surface de la gaine au fluide supercritique doivent être bien compris. Surtout en cas de transitoires internes avec dépressurisation des conditions supercritiques aux conditions sous-critiques.
• En raison du plus petit stock de liquide de refroidissement, le séchage du cœur progresse plus rapidement en cas de perte d’accident de liquide de refroidissement (LOCA).

Caractéristiques des SCWR

Les SCWR fonctionnent à des pressions supérieures à la pression critique, les propriétés de l’eau dans le réacteur changent progressivement et en continu de celles que nous associons habituellement à un liquide (haute densité, petite compressibilité) à celles d’un gaz (basse densité, grande compressibilité) sans changement de phase . Il n’y a aucun changement dans la phase de l’eau dans le cœur. En revanche, les propriétés physiques telles que la densité, la chaleur spécifique, l’enthalpie spécifique subissent des changements importants, notamment dans la plage de température de la région pseudocritique (pour 25 MPa entre 372 ° C et 392 ° C). Par exemple,

• la densité de l’eau supercritique à l’entrée et à la sortie est d’environ 777 kg / m ³  (pour 25 MPa et 280 ° C) et 90 kg / m ³ (pour 25 MPa et 500 ° C),
• l’ enthalpie spécifique de l’eau supercritique à l’entrée et à la sortie est d’environ 1230 kJ / kg (pour 25 MPa et 280 ° C) et 3165 kJ / kg (pour 25 MPa et 500 ° C)

D’un point de vue neutronique, la densité de l’eau est le facteur le plus important. Il y a un changement significatif du spectre neutronique , qui change avec la coordonnée axiale du noyau. Elle est causée par la plus grande modération dans les endroits avec une plus grande densité. Pour cette raison, un calcul couplé neutronique – thermohydraulique est inévitable pour obtenir la distribution du flux neutronique dans le cœur. Dans chaque réacteur nucléaire , il existe une proportionnalité directe entre le flux neutronique et la puissance thermique du réacteur .

Étant donné que le liquide de refroidissement (modérateur) subit un changement significatif de densité, le SCWR peut également être conçu comme un réacteur à neutrons rapides. Cette propriété dépend de la conception de certains réacteurs.