Réacteur nucléaire à puissance nulle

[Anubis]

Bonjour,
Pour moi un réacteur à puissance nulle est un réacteur nucléaire qui génère une faible quantité d'énergie thermique par fission. Voici un exo que je traite:
Au démarrage du réacteur, avant d'initier la réaction en chaîne, la chaudière est placée dans un état « arrêt à chaud ». Il s'agit alors de placer le fluide primaire dans les conditions de température et de pression proches de l'état de fonctionnement (environ 300 °C et exactement 155 bars). Pour ce faire, les pompes primaires apportent environ 20 MW de chaleur au fluide caloporteur qui sont extraits au générateur de vapeur. Le chauffage de l'eau finit par chauffer le combustible qui atteint l'équilibre thermique.

On propose ici de se focaliser sur la physique du système lors de la montée en puissance, une fois que la réaction en chaîne a démarré. On considère un REP (Réacteur à Eau Pressurisée) de 1300 MW électrique avec les hypothèses paramétriques suivantes : 193 assemblages dans le cœur, 264 crayons combustibles par assemblage, une résistance thermique totale entre le combustible et le modérateur R

– Les grandeurs thermodynamiques sont constantes en fonction de la température.

Répondez aux questions suivantes :
□ À l'aide du formalisme des résistances thermiques, calculez la puissance que doit dégager le combustible pour que sa température soit égale à la température du modérateur, qu'on prendra égale à 280°C dans cette section."
En utilisant le formalisme des résistances, il n y a qu'une seule façon pour répondre:
P=(Tc-Tm)/R = 0 car Tc=Tm
Maiscette equation ne me parait pas très convaincante, pour moi il faut utiliser P= Cp delta T et il faut que le delta T soit très petit , et donc il faut que la temperature initiale et du combustible et celle du moderateur soient trop proches. Mais comment justifier qu'elles sont proches? et est ce que le formalisme des resistances est adéquat ?
Merci.
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[titijoy3]

Bonjour,

je ne saurais répondre à ta demande (si XK passe par là il le fera sans doute) mais j'ai une question un peu hors sujet: je ne comprends pas, sur un réacteur non démarré comment font les générateurs de vapeur pour produire de la chaleur ?

[XK150]

Re ,

Je ne comprends absolument pas cet exercice .

Les 3 premières lignes parfaites ...

Ensuite , pourquoi le combustible devrait il fournir de la chaleur pour être à 280° , alors que le fluide primaire l'a déjà amené à 280 ° par conduction , durant l'arrêt à chaud ????

[XK150]

Bonjour,

je ne saurais répondre à ta demande (si XK passe par là il le fera sans doute) mais j'ai une question un peu hors sujet: je ne comprends pas, sur un réacteur non démarré comment font les générateurs de vapeur pour produire de la chaleur ?

Non , non , les GV ne produisent aucune chaleur , ce n'est pas dit dans l'énoncé , encore heureux ! C'est le combustible qui doit s'amener tout seul à 280° .

Mon incompréhension : pourquoi ? Puisqu'il y est déjà à 280 ° !!!!!

[A voir en vidéo sur Futura]

[Anubis]

Bonjour, je ne sais pas non plus. Déjà le formalisme des résistances ne me parait pas adéquat. Je poserai votre question à mon prof pour vous répondre après. Sinon si on suppose que la température du combustible n'est pas 280, à ce moment il va falloir une puissance pour atteindre la temperature du modérateur, or si on utilise le formalisme des résistances ca ne marcherai pas. N'est ce pas ?

[titijoy3]

c'est ça : "Pour ce faire, les pompes primaires apportent environ 20 MW de chaleur au fluide caloporteur qui sont extraits au générateur de vapeur." que je ne comprenais pas,

en fait c'est le combustible qui fournit la chaleur, laquelle est diffusée dans le circuit primaire par les pompes tout en passant par les générateurs de vapeur qui l'évacuent ?

ça me semble plus logique

[XK150]

Bonjour, je ne sais pas non plus. Déjà le formalisme des résistances ne me parait pas adéquat. Je poserai votre question à mon prof pour vous répondre après. Sinon si on suppose que la température du combustible n'est pas 280, à ce moment il va falloir une puissance pour atteindre la temperature du modérateur, or si on utilise le formalisme des résistances ca ne marcherai pas. N'est ce pas ?

Admettons , même si c'est physiquement irréaliste : alors , je vous demande , mais quelle est la température de départ du combustible à prendre en compte ?
Où sont les paramètres thermiques du combustible ?
193 assemblages , c'est les 1300 MW de tête , et donc , nous devons chauffer environ 118 tonnes d'UO2 ....

[Anubis]

le fluide primaire l'a déjà amené à 280 ° par conduction , durant l'arrêt à chaud

Que veut dire arrêt à chaud déjà ?

[XK150]

Bonne question , je viens de réviser , ce qui va aussi répondre à la question pertinente de titijoy et annuler mon message 4 .

Durant les arrêts courts , l'état d'attente à chaud est un fonctionnement critique ( donc , habituel ... ) avec une puissance nucléaire inférieure ou égale à 2 % P nominale .
... Cette puissance permet de contrôler le secondaire par le système de contournement de la turbine ...

Donc , en résumé , en agissant sur les 2% au secondaire , on agit sur les GV qui agissent sur le fluide primaire .

Nouvelle question : est que ceci nous aide pour l'exercice ? Pour moi , le combustible est à 280° , rien de changé ...

[XK150]

Et donc pour cela , il faut initier la réaction en chaîne ...

Contrairement à ce que dit l'énoncé : une seule solution mettre le prof sur le grill !
Qu'il nous explique où il veut en venir ...

Mon document , c'est INSTN , Hubert Grard : " Physique , fonctionnement et sûreté des REP " .

[Anubis]

Ok donc je lui poserai la qst suivante : " pourquoi le combustible devrait il fournir de la chaleur pour être à 280° , alors que le fluide primaire l'a déjà amené à 280 ° par conduction , durant l'arrêt à chaud ?"

[Anubis]

En plus, il est écrit dans l'énoncé que le combustible est en "équilibre thermique",donc ça suffit pour conclure que Tc=Tm déjà et on a rien à fournir,non?

[XK150]

En plus, il est écrit dans l'énoncé que le combustible est en "équilibre thermique",donc ça suffit pour conclure que Tc=Tm déjà et on a rien à fournir,non?

Exactement ...

[FC05]

Je n'ai pas bien compris le problème aussi ...

En ce qui concerne les générateurs de vapeur, ce sont des sortes de cylindres que l'on voit à côté du cœur. Il y a d'énormes résistances électriques dedans qui font bouillir de l'eau et augmenter la pression. En gros on régule la pression dans le circuit primaire en régulant la température dans ces cylindres.
Ceci montre qu'une centrale ne peut démarrer sans assistance externe.
Enfin c'est ce que j'avais compris ... il y a un certains temps ...

[XK150]

Non , il n'y a pas de résistances chauffantes dans les GV . Seule une " petite " résistance dans le pressuriseur qui permet un ajustement faible de la pression en marche normale .

Pour faire chauffer les GV , c'est mon message 9 .

[FC05]

Oups, confusion chez moi entre pressuriseur et GV ! Pan sur le bec !

Souvenirs trop anciens.

[XK150]

Oups, confusion chez moi entre pressuriseur et GV ! Pan sur le bec !

Souvenirs trop anciens.

Pas de problème ! entre temps , puissance de chauffage des chaufferettes du pressuriseur ( sur les 1300 MWe ) : 2.16 MW tout de même !

[XK150]

@ Anubis : derniére info avant d'attaquer le prof ,

" L'état d'attente à chaud " décrit au message 9 n'est pas " l'arrêt à chaud " .

Arrêt à chaud : Le réacteur est sous-critique , pression primaire à sa valeur nominale , température primaire voisine de 295° , la puissance résiduelle est évacuée par les GV ...

Donc , l'énoncé du prof est correct , mais vos questions restent les mêmes .

Entre nous , le combustible est forcément chaud , puisqu'il faut évacuer la puissance résiduelle ( essentiellement gammas des produits de fission ) .

[Anubis]

C'est compris, merci beaucoup XK150 !!

[Anubis]

Salut XK150, j'ai envoyé un mail à mon prof pour me clarifier l'exo. Sinon, entre-temps je voudrais avancer. Je suis dans cette partie:
"Une fois le seuil de chauffe atteint (càd la puissance vaut 7.2 MW dans notre cas), la réaction en chaîne a un effet sur les températures du combustible et du modérateur. Il y aura donc des effets sur :

La densité du modérateur et donc la capacité à ralentir les neutrons
La température du modérateur, qui influence l'énergie moyenne des neutrons thermiques
La température du combustible, et donc l'effet Doppler
Ces effets vont finalement modifier les probabilités de réactions nucléaires (fission et capture des neutrons) induites par les neutrons. Pour cette section, synthétisons l'effet de modification de la température du combustible par un coefficient Doppler pour le combustible, défini tel que αD = −2,5 pcm/K.

Répondez aux questions suivantes :

-Une fois le seuil de chauffe dépassé, expliquez l’évolution naturelle de la réactivité.
-Calculez la température d'équilibre du combustible, en supposant tout d'abord que la température du modérateur n'est pas affectée.
-Toujours selon cette dernière hypothèse, calculez la puissance dégagée par le combustible et comparez-la avec les 20 MW apportés par les pompes primaires.
-Concluez sur l’hypothèse d'une température de modérateur constante.
"
J'ai fait mes calculs, j'ai trouvé que la température du combustible vaut 304 degrés, la puissance vaut 28.8 MW. Mais je ne sais pas comment comparer cette puissance avec celle des pompes primaires, quel est le lien entre ces deux puissances ? et il me faut conclure sur l'hypothese de la température de modérateur constante. Merci !

[XK150]

Re ,

J'ai beaucoup de mal " à entrer " dans cet exercice physico-technologique qui concerne bien le REP-EDF palier 1300 MWe à 197 assemblages combustible .
( si ce n'est pas indiscret , dans quel cursus est donné ce type d'exo )?

L'énoncé semble traiter la masse du fluide modérateur-caloporteur et la masse métal du coeur comme s'il n'étaient pas en permanence en interaction thermique .

De même , faut il comprendre qu'il s'agit du premier démarrage d'un nouveau réacteur au coeur totalement neuf ,
ou bien d'un redémarrage après un arrêt habituel avec la puissance résiduelle du coeur dont il n'est jamais question ?
( Après un arrêt "court" , il peut y avoir 0.15% PN de puissance résiduelle à évacuer ) .

On en restera donc aux généralités .

- Tous les effets en température sont regroupés dans le coefficient Doppler , appelé aussi " Doppler-puissance " donné à -2.5 pcm/K ( valeur réaliste habituelle ),
donc coeff négatif , prompt , qui va dans le sens de l'auto-stabilisation : toute augmentation de température entraînera une baisse de puissance ,
qui sera suivie d'un nouvel équilibre thermique , inférieur au précédent .
( Je ne sais rien calculer , ni dire de plus ) .

- Je ne vois ( il n'y a ) aucune relation entre la valeur de 28.8 MW ( votre calcul ) issue du coeur , et celle de 20 MW apportée par les pompes primaires :
on peut toujours dire que c'est le même ordre de grandeur , mais ce n'est pas très sérieux !
La puissance apportée par les GMPP provient de la puissance sur l'arbre , qui se retrouve dans le caloporteur : 5.8 MW * 4 GMPP = 23.2 MW environ .
Ce qui fait dire parfois que la puissance dispo aux GV est supérieure à la puissance nucléaire thermique du coeur ( boutade vraie ) .

[titijoy3]

"La puissance apportée par les GMPP provient de la puissance sur l'arbre , qui se retrouve dans le caloporteur : 5.8 MW * 4 GMPP = 23.2 MW environ ."

c'est ça que je ne pigeais pas ! j'ai zappé la puissance dissipée par les pompes car en fonctionnement normal elle me semblait négligeable mais là on est en situation de démarrage ou d'arrêt habituel, ce n'est pas la même chose !! dans c cas la puissance dissipée est loin d'être négligeable par rapport à la puissance résiduelle du coeur,

mea culpa

[Anubis]

Salut XK150, merci pour la réponse. Pour le coefficient Doppler c'est compris. Pour la comparaison entre la puissance du combustible et celle des pompes primaires, apparemment il n'y a pas de lien entre les deux donc la question est mal posée. Sinon, que peut t on dire de l'hypothèse "Température du modérateur est constante" ? (C'est elle qui conduit au résultat de la puissance P=28.8 MW)
PS: je suis en formation d'ingénierie généraliste, pendant cette année on découvre le nucléaire mais on ne se spécialise dans ce domaine que dans les années prochaines (si on veut). Je crois que les profs essaient de simplifier au maximum les notions traités pour qu'on puisse aborder ce genre de problèmes. C'est pour ça peut être qu'il y a parfois des trucs "bizarres".

[XK150]

Oui , effectivement , je pense que ceci explique cela ....

Le 1300 MWe , c'est 400 m3 environ d'eau primaire 300° C , 155 bars ( votre exercice ) , on parle de variation de 20 à 40 MW pour votre exercice : je vous laisse calculer l'ordre de grandeur des échauffements possibles .

[Anubis]

OK, sinon juste pour confirmer:
- Une augmentation de la température du combustible conduit à une augmentation de la puissance, ce qui conduit par les effets de contre réaction à une diminution de la réactivité jusqu'à atteindre l'équilibre où rho = 0. Donc à priori il n'y a pas de risque car on converge vers une situation de stabilité.
- Une diminution de température du combustible (lors d'un passage d'une puissance P à une puissance plus faible) conduit à une augmentation de la réactivité par les effets de contre réaction, ce qui exige l'intervention de l'operateur (en utilisant les barres de control par exemple) pour stabiliser le système.
Merci pour votre patience.

[Anubis]

et si l'operateur n'intervient pas dans ce dernier cas (le cas où la réactivité est positive) , la puissance ne va pas augmenter indéfiniment, ça doit s'arrêter au niveau de la puissance nominale n'est ce pas?

[titijoy3]

sur certains réacteurs ça peut dégénérer gravement (RBMK)

[Anubis]

ok mais pour le REP ça marche ?

[titijoy3]

ok mais pour le REP ça marche ?

des infos ici : https://fr.wikipedia.org/wiki/Coeffi...od%C3%A9rateur

[XK150]

Le sujet du post était le réacteur à puissance nulle .... Nous voilà arrivés au spectaculaire des accidents nucléaires ...

Les coefficients évoqués jusqu'à présent s'appliquent à une situation normale , ils aident au pilotage ou aux transitoires à cinétique lente .
Ils n'éviterons jamais une excursion de puissance accidentelle à +20 , +30 % Pn , ou encore un manque de fluide caloporteur , quelle qu'en soit la raison .

Il n'y a aucune limite à la puissance thermique nucléaire pouvant être développée par le coeur lui-même .

Le 1300 MWe , c'est 3800 MW thermique au primaire : comment atteint t on 3800 MW et pourquoi s'arrêter là ???

A partir de l'arrêt , état sous-critique , on passe à l'état juste sur-critique et vers 400 W ( oui , 400 watts seulement ) , la réaction en chaîne s' amorce .
Il suffit de la laisser se développer toute seule , de façon contrôlée , à k eff très légèrement >1 , comme déjà vu .
Et de décider de s'arrêter ( on passe à k eff = 1 ) à 3800 MW th alors que rien n'empêche d'aller à 10 000 MW th ou plus ...

Ce qui limite la puissance nucléaire au primaire , c'est la capacité de tout le reste du réacteur de transformer et d'UTILISER en permanence la puissance produite au primaire .

Turbine , alternateur , condenseur doivent utiliser ou évacuer , les 3800 MW produits à chaque seconde .
Il n'y a pas de capacité de stockage d'énergie ( si , une petite , mais on l'oublie pour l'instant ) .
Et donc , au bout de l'alternateur , il faut aussi des consommateurs , vous et moi !

L'accident se produira s'il n'y a plus adéquation entre tous ces éléments .