Etude expérimentale et numérique d’un Cycle de Rankine à fluide Organique (ORC) appliqué aux Réacteurs à Eau Pressurisés (REP)

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. Ainsi un système existant 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 existante 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.

Les premiers résultats de cette étude portent sur l’élaboration d’un modèle thermodynamique de l’ORC réalisé avec le logiciel EES (Engineering Equation Solver). Ce modèle a permis notamment de mesurer l’impact du fluide de travail sur les performances ainsi que sur les dimensions de l’ORC. Une grande variété de fluides de travail a pu être comparée : HFC – HFE – HFO – HC …

Parallèlement à ces travaux théoriques, une série d’essais expérimentaux a été réalisée pour mesurer l’impact des conditions externes sur les performances de l’ORC. On peut notamment citer la variation de la température de la source froide. Ces résultats expérimentaux, ajoutés à des essais paramétriques (débit fluide de travail, débit source …) sont utilisés pour évaluer la robustesse et la fiabilité de notre système.

L’ensemble de ces résultats expérimentaux est ensuite utilisé pour valider le modèle théorique de l’ORC (condenseur – évaporateur – turbine).