centrale nucléaire: mise en marche rapide

[chris111]

Bonjour,

Une question me turlupine:

suite aux développement de l'énergie éolienne (encore timide en France, mais plus développé au Danemark et en Allemagne), l'industrie du charbon et du pétrole se frotte les mains. En effet, seules ces deux énergies (dans les pays avec peu de ressource hydraulique) pourront compenser les creux de production les moments où il n'y a pas de vent.

Je sais que les centrales nucléaires ne peuvent pas absorber les appels brusques d'électricité pour combler les creux de production des éoliennes (en supposant qu'elles se développent en France), mais pourquoi?
J'ai entendu parlé de pollution au xénon... quelqu'un pourait-il m'apporter ses lumières sur les phénomènes physiques mis en jeu

Merci d'avance
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[monnoliv]

suite aux développement de l'énergie éolienne (encore timide en France, mais plus développé au Danemark et en Allemagne), l'industrie du charbon et du pétrole se frotte les mains. En effet, seules ces deux énergies (dans les pays avec peu de ressource hydraulique) pourront compenser les creux de production les moments où il n'y a pas de vent.

Bonne remarque, utilisée par les détracteurs des éoliennes. Cependant je rappelle qu'une centrale nucléaire a aussi besoin de centrales d'autres types (thermiques ) pour l'apoint d'énergie .
Concernant l'apoint, on peut penser aussi à d'autres centrales, hydrauliques par ex.
Mais je m'écarte de la question...

[chris111]

Salut monnoliv,

Tous ce qui est produit par les éoliennes n'aura pas à l'être grace aux énergie fossiles, je suis donc pour l'installation des éoliennes partout où c'est possible, en particulier en offshore. Idem pour le développement des autres énergies renouvelables.
Cependant, il faut d'autres énergies capable de prendre le relais lorsque le vent faiblit (et les variations de production des éoliennes sont très rapides); et quand le potentiel hydraulique est faible ou completement exploité restent les énergies fossiles.
Mais ce n'est pas le sujet de ce forum...

Pourquoi un réacteur nucléaire ne peut pas délivrer rapidement une augmentation de puissance et ainsi coller au plus près de la demande électrique qui varie sans cesse?

Chris111

[Narduccio]

Cependant je rappelle qu'une centrale nucléaire a aussi besoin de centrales d'autres types (thermiques ) pour l'apoint d'énergie .

Que nenni. Une centrale thermique, quelqu'elle soit à besoin d'électricité pour démarrer. Il est loin le temps où l'on démarrait une chaudière à l'aide d'un chiffon imbibé d'essence. Une centrale nucléaire a besoin d'environ 30 MW pendant la période où elle est arrètée pour maintenir le fonctionnement de son système de controle et de surveillance du coeur. Une fois qu'elle fonctionne et qu'elle est couplée au réseau, elle n'a plus besoin d'aucune ressource externe. Les ressources internes de secours permettent d'attendre un certain temps, en cas de besoins, sans apports extérieurs. Les centrales qui servent au secours sont choisies parmies les centrales situées à proximitées. Ainsi, une centrale de rivière, comme Fessenheim ou Bugey sera secourue par des centrales hydrauliques situés à proximités. Une centrale comme Cattenom sera secourue par la centrale thermique de Blénod ou de La Maxe ou par la centrale de Fessenheim.

Pourquoi un réacteur nucléaire ne peut pas délivrer rapidement une augmentation de puissance et ainsi coller au plus près de la demande électrique qui varie sans cesse?

Je suis en train de rechercher exactement les infos néccéssaires et je viendrais apporter la réponse dès que possible.

[A voir en vidéo sur Futura]

[monnoliv]

Que nenni. Une centrale thermique, quelqu'elle soit à besoin d'électricité pour démarrer. Il est loin le temps où l'on démarrait une chaudière à l'aide d'un chiffon imbibé d'essence. Une centrale nucléaire a besoin d'environ 30 MW pendant la période où elle est arrètée pour maintenir le fonctionnement de son système de controle et de surveillance du coeur. Une fois qu'elle fonctionne et qu'elle est couplée au réseau, elle n'a plus besoin d'aucune ressource externe. Les ressources internes de secours permettent d'attendre un certain temps, en cas de besoins, sans apports extérieurs. Les centrales qui servent au secours sont choisies parmies les centrales situées à proximitées. Ainsi, une centrale de rivière, comme Fessenheim ou Bugey sera secourue par des centrales hydrauliques situés à proximités. Une centrale comme Cattenom sera secourue par la centrale thermique de Blénod ou de La Maxe ou par la centrale de Fessenheim.

Ce n'est pas de la consommation propre de la centrale nucléaire dont je parle mais bien de la demande énergétique, la charge quoi. Cette charge varie dans le temps. On ne dimensionne jamais un équipement, pour des raisons économiques évidentes, sur une pointe de consommation mais plutôt sur une moyenne statistique de consommation. Donc l'apoint vient d'autres centrales, thermiques y comprises. Donc le problème de dire que le défaut d'un parc éolien est qu'il doit s'accompagner de centrales thermiques (ce qui est déjà discutable puisqu'il existe d'autres formes d'apoint) ou autre est biaisé puisqu'il en est de même pour les centrales nucléaires.
De plus, si la production éolienne est faible à un endroit, elle peut être forte à un autre endroit. Il y a donc moyen, et à réflexion cela me semble unique à l'éolien, de moyenner la production énergétique sur plusieurs parcs délocalisés (l'électricité étant une des formes d'énergie la plus facilement transportable).
Je ne connais pas la raison précise pour laquelle une centrale nucléaire doit si possible travailler avec une charge +- constante mais c'est un fait. En belgique, il est bien connu que de temps à autre l'éclairage public (notamment celui des autoroutes) fonctionne à vide en pleine journée pour fournir de la charge aux centrales qui n'en ont pas assez.
A+

[wizz]

... rupture à la fatigue...
Variation de contraintes cycliques.

[GillesH38a]

je pensais que pour les centrales nucléaires, c'est juste parce que le réacteur ne marche que dans des conditions strictes de criticité (1 fission donne une autre fission) en dessous, ça s'arrête, au dessus, ca explose ! pour une quantité de matériau fissile donné la puissance est très contrainte, c'est du tout ou rien.

[Narduccio]

En cas de besoin, un réacteur nucléaire est capable de passer quasi-instantanément de 100% de puissance à 5 %. C'est ce qu'on appelle un ilotage, en cas de problème importants sur le réseau comme lors de la tempête de 99. Ensuite, on attend que le réseau soit disponible pour reprendre de la puissance. C'est le transitoire le plus important réalisable. Mais ils sont fortement limités car ils font beaucoup souffrir le matériel. Par chance, ce n'est pas tous les jours que l'on en un, même si l'on en réalise un après chaque rechargement pour requalifier l'installation.
Ensuite, il y a les transitoires d'urgence, possibilités de faire 1 palier de + ou - 200 MW en 1 minute pour anticiper un gros défaut sur le réseau. Il s'agit aussi de transitoires dont le nombre est limité. En fait, il me semble que l'on ne sait jamais retrouvé dans la néccéssité d'en réaliser un. Soit, les défauts réseaux sont trop petits pour en requerrir, soit c'est trop tard et c'est l'ilotage.
Nsuite, il y a le domaine des régulations, où l'on participe aux défauts réseaux à hauteur de + ou - 50 MW (pour une centrale 900 MW) avec une pente d'environ 50 MW/mn. Pour le réseau, la plage de régulation dépend du nombre de centrales participantes et de l'amplitude de leur participations. Ainsi, lors du "blackout" de l'italie en 2003, la baisse de fréquence résultante en France fut d'environ 50 mHz. (Voir les posts que j'ai déjà fait sur le sujets pour plus de détails).

[monnoliv]

C'est bien en cas de nécessité urgente qu'on est amené à varier la puissance fournie par une centrale nucléaire. Rien à voir avec les aléas de la demande qui sont converts par des centrales hydrauliques aux démarrages rapides, par exemple. C'est ce que j'appelle l'appoint.
La centrale nucléaire n'est donc pas du tout souple quant à la variabilité de la charge. Il faut obligatoirement l'accompagner d'autres centrales, non nucléaires, pour les fluctuations de la demande.

[Narduccio]

Les amplitudes de forte charges sont réservées aux situations d'urgences. Les amplitudes de faible charge sont courantes. Il y a des centrales qui fonctionnent pendant des cycles entiers (des années entières) en assurant ce réglage et en participant au réseau à + ou - 50 MW, pouvant aller jusqu'à 70 MW (en moins ou en plus) sans qu'il soit question de situation d'urgence. 15 ou 20 centrales fonctionnant dans ces conditions peuvent absorber des amplitudes de + ou - 500 MW en instantané, ce qui n'est pas mal. Comme le réseau est interconnecté, la plage de réglage est en fait de plusieurs milliers de MW.
ADF a fait des essais avec des centrales thermiques classiques en modifiant les régulations. Dans ces conditions on obtient des plages de réglage de 85% de la puissance de la centrale, essai réalisé avec des 250 MW, mais pouvant être transposé aux 600 MW. Ce qui veut dire des centrales capables de passer de 600MW à 90MW et vice-versa. Le rendement est déplorable et la pollution maximale. Mais dans certaines conditions, c'est cela ou le "black-out".

[monnoliv]

D'accord avec toi, mais pour pouvoir comparer, il faut ramener les chiffres pour une centrale (ou une tranche). Les problèmes/avantages des interconnexions concernent tous les types de centrales. Donc parlons par exemple d'une tranche¹ d'1 [GW], si la variation admissible est de +- 70[MW], cela nous fait +-7% de variation de charge permise, ce qui me semble mince (et encore, la tranche ne fonctionne jamais à son max je suppose).


¹ note pour le lecteur:une tranche est en fait un réacteur + tout le matériel nécessaire pour produire l'électricité (turbine, alternateur,...), une centrale en comporte généralement plusieurs

[Narduccio]

(et encore, la tranche ne fonctionne jamais à son max je suppose).

C'est là qu'elle est le plus rentable, donc comme tout exploitant désireux de rentabiliser au mieux ces installation, EDF s'efforce de faire fonctionner ces centrales au maximum de puissance. Avec l'augmentation du prix du pétrole et du gaz, c'est pratiquement le nucléaire qui tourne en base. Les centrales fonctionnent donc à 100% (99,6% Pn pour être précis, Pn pour puissance nominale). Le réglage en régulation de fréquence courant pour une 900 MW, c'est le limiteur de puissance réglé à 99,6%, puis la marge pour la réserve primaire, soit 20 MW, ensuite la marge de réglage, soit 50 MW, ce point est le point qui correspond à la puissance moyenne produite + ou - 50 MW. Une tranche qui fonctionne en base à PMD (Puissance Maximale Disponible) est mise à 100% enquillée sur limiteur, ce qui veut dire que sauf en cas d'augmentation exceptionnelle de fréquence du réseau, elle fonctionne à 100% sans sollicitation. Actuellement, le réglage est fait par les centrales hydroliques, les centrales thermiques classiques et les centrales nucléaires participant au réglage du réseau. Le nombre de centrales en réglage dépend de la taille du réseau et de différents critères (météo prévue, heure de la journée, ...). Actuellement, c'est le RTE qui défini la marge de réglage qu'il a besoin et qui lance auprès des fournisseurs des appels d'offre pour obtenir cette marge.
Quelques infos supplémentaires sur le site du RTE : http://www.rte-france.com/htm/fr/offre/offre_marche.jsp
http://www.rte-france.com/htm/fr/off...p_contrats.jsp
Voici la courbe journalière : http://www.rte-france.com/jsp/fr/courbes/courbes.jsp
Les prévisions pour demain : http://www.rte-france.com/jsp/fr/cou...e_j_plus_2.jsp

[chris111]

Merci à tous pour vos interventions et en particulier à Narduccio pour ses explications techniques sur le fonctionnement d'une tranche nucléaire et sur la gestion du réseau. J'ai beaucoup appris.


Mais n'y a-t-il pas d'autres phénomènes physiques qui ne permet pas les variations brusques de production (outre les accidents de prompt criticité -> fusion du coeur, et les problèmes de fatigue thermique du réacteur).
J'avais vaguement entendu parlé de pollution par le xénon du coeur. Le combustible usé dans de telles conditions ne serait-il pas plus chargé en radionucléides à demi-vie longue et très radioactif (/combustible usé standard)?


Chris111

[Narduccio]

Le xénon est éffectivement un problème dans un réacteur nucléaire. Mais, il intervient peu dans les pentes de montées ou de baisse de puissance (enfin, sur le court terme), sur le long terme, on pourrait être amené à baisser la production d'un réacteur pour éliminer une zone ou il y aurait une concentration possible de xénon.
Pour diverse raison, on cherche à avoir une production de puissance homogène le long des barres de combustible. Il s'agit d'éviter l'apparition d'un point chaud qui entrainerais une surpuissance ponctuelle suceptible en cas d'accident d'entrainer une fusion locale.
D'abord, quel est le problème avec le xénon : il est neutrophage. Donc, il capte des neutrons et étouffe le coeur. Il y en a un autre, c'est le samarium. Mais, il y a moins de samarium dans un réacteur nucléaire et il est moins sensible aux variations de puissance à court terme.
Le xénon 135 est neutrophage et il a une section efficace de capture des neutrons thermiques très élevée; elle est de 3,7 10⁶ barn. Le xénon apparait très peu comme produit de fission direct, il provient surtout de la décroissance radioactive de l'iode (période 6,7 h). Le xenon disparait par décroissance radioactive (période 9,2h) pour donner du césium ou par capture neutronique pour donner du xénon 136 (qui n'est pas neutrophage). 1000 fissions donnent environ 60 noyaux d'iode 135. Quand on démarre le réacteur, la quantitée d'iode va augmenter dans le réacteur jusqu'à qu'il s'en produise autant qu'il n'en disparait par décroissance radioactive. Le xénon, lui, apparait un peu après l'iode, si le flux neutronique est constant, on va aussi atteindre un état d'équilibre.
Quand on augmente le flux neutronique, comme on détruit plus de xénon que l'on n'en crée, le niveau de xénon dans le réacteur diminue (ce qui a tendance à augmenter la puissance, mais la température du réacteur à tendance de la diminuer. Sur le long terme, la concentration en xénon va d'abord diminuer puis passer par un minimum et atteindre un nouvel équilibre plus élevé que le précédent.
Quand on diminue le flus, c'est exactement l'inverse qui se passe.
Le problème est que la variation de flux s'obtient à court terme en faisant varier la hauteur des grappes de contrôle. Nous aurons donc dans le réacteur des zones ou la concentration en xénon sera plus haute que dans d'autres zones. Ces zones risquent, si on ne fait rien pour y remédier, de créer des points chauds. Voilà pourquoi, un réacteur nucléaire ne peut pas fonctionner sur de très longues périodes en faisant sans cesse des variations de puissance. Mais comme en France nous en avons suffisamment, nous pouvons participer au réglage de fréquence. Seul problème, économique celui-là, pour l'instant, la production de mégawat pour la régulation entrainant la création de plus d'éffluents et une usure moins économique du combustible, il coute moins cher de laisser d'autres sources d'électricité participer au réglage de fréquence, surtout s'il en faut de grandes quantitées pour compenser une fourniture éolienne d'électricité.
Mais, il y a un phénomène qui limite la variation de puissance pouvant être fournie par un réacteur nucléaire. Il est du à la conductibilité thermique du combustible. L'oxyde d'uranium a un comprtement plus proche d'une céramique que d'un métal. Lors d'une variation trop importante de puissance, la température à coeur s'élève et elle a du mal à être évacuée. On pourrait avoir une fonte localisée au coeur du combustible. Mais on a surtout une dilatation du coeur des pastilles qui pourrait entrainer l'éffritement de celles-ci. En plus la dilatation de la pastille entraine plus de contraintes au niveau de la gaine ce qui pourrait entrainer des fissures. La fonte aurait lieu aux environs de 2000°c, le paramètre de sureté est que l'on garantisse que l'on obtienne nulle part dans le coeur une température supérieure à 1200°C (c'est les chiffres qui datent de quand j'étais opérateur, il me semble qu'ils ont un peu évolués avec l'affinement des connaissances dans la neutronique du coeur). Pour tenir compte des incertitudes, l'on prend T_{gaine max} < 1088°C. Ce qui donne une puissance linéique max < 419 W/cm, sachant que la puissance linéique moyenne à 100% de Pn est de 180 W/cm et que l'on interdit une différence de flux par quadrants < à 3%. Ce qui veut dire que l'on surveille les différences axiales et azimuthales et si l'un des quadrant produit plus de 3% de puissance en plus ou en moins que la moyenne des autres quadrants, on daoit baisser la puissance et on déclare un incident significatif.
Les variations de puissance du réacteur contractuelles sont:
- des pentes maximales de + ou - 5% Pn /mn
- des sauts de puissance de + ou - 10% Pn
des variations de puissance électrique supérieures sont possibles en utilisant un système de contournement vapeur de la turbine. dans ce cas, nous emmenons jusqu'à 85% de la puissance nominale du réacteur directement au condenseur, le réacteur baissant de 10% et la turbine gardant le reste pour alimenter les auxiliaires ou le réseau.