Soutenance de thèse de AUDOLY Vincent

Résumé de la thèse

Les cycles thermodynamiques de Rankine sont largement utilisés dans l'industrie dans le but de convertir en électricité l'énergie récupérée sous forme de chaleur. Le fluide est pompé en partie froide en phase liquide, puis acheminé vers un générateur de vapeur dans lequel il se vaporise, pour ensuite se diriger vers le groupe turbo-alternateur. Il est alors condensé au contact d'une source froide pour un retour en phase liquide.
L'enjeu de cette thèse est de proposer une modélisation validée d'un cycle de Rankine complet s'adaptant au niveau de complexité de la physique en jeu, et donc via une résolution de l'écoulement en régime diphasique et transitoire dans l'ensemble des composants. Pour cela, c'est le code de thermo-hydraulique système CATHARE, reconnu dans le domaine de la sûreté nucléaire, qui sera utilisé.
Au cours de cette thèse, un modèle 1D-1D de condenseur et un modèle 0D de turbine ont été développés. Le modèle de condenseur est un compromis entre complexité et prédictivité en vue d'une intégration à l'échelle système, il prend mieux en compte la charge partielle et les aspects dynamiques qu'un modèle de type HEI et a été validé en partie. Le modèle de turbine proposé permet s'appuie sur des modèles existants et ajoute une approche corrélative afin de se passer de la notion d'entropie ce qui permet d'utiliser les propriétés de l'eau calculées par CATHARE. Ces modèles ont ensuite été intégrés dans une modélisation du cycle de Rankine du réacteur Superphénix. La pertinence de l'outil CATHARE pour la modélisation de cycles de Rankine a ensuite été illustrée via des simulations de transitoires libres et régulés. Un couplage entre les modèles CATHARE des circuits en sodium de Superphénix allant jusqu'au cœur nucléaire a pu être effectué permettant ainsi de quantifier l'impact de transitoires du cycle de Rankine sur la réactivité. Par ailleurs, la mise en place de régulations a permis de simuler des variations de charge du réacteur ouvrant ainsi la voie à la réalisation d'un simulateur de réacteur entièrement basé sur CATHARE.
Enfin, ce modèle de cycle de Rankine a été utilisé pour l'étude de cycles innovants, en particulier l'intégration d'une batterie de Carnot venant soutirer de la chaleur en sortie de générateur de vapeur lorsque la demande en électricité est faible pour la restituer lorsque la demande est importante. L'intégration d'un accumulateur de vapeur venant soutirer non plus de la chaleur mais de la vapeur est également examinée. Afin de comparer les performances des cycles innovants par rapport au cycle de Rankine seul, un transitoire type de suivi en fréquence est pris comme cas de référence. Les résultats des simulations montrent que les systèmes de stockage tels que la batterie de Carnot et l'accumulateur de vapeur permettent d'ajouter de la flexibilité au réacteur avec l'avantage de ne pas impacter le cœur.
Les méthodes et modèles mis en œuvre dans cette thèse dans le cas du cycle de Rankine de Superphénix peuvent s'étendre plus généralement à tout cycle de Rankine eau-vapeur comme ceux des réacteurs à eau pressurisée.