Étude d'un concept de cœur hybride refroidi à l'eau supercritique

Face à la problématique climatique et énergétique actuelle, le Canada a choisi de développer le réacteur refroidi par de l'eau à l'état supercritique (SCWR). Pouvant s'inspirer de l'architecture à tube de force des réacteurs CANDU-6 actuels, ce choix technologique permet au Canada d'économiser une partie des efforts qu'aurait nécessité le développement d'un nouveau modèle de réacteur. En effet, ce type de réacteur permettrait d'atteindre une plus grande efficacité énergétique tout en satisfaisant d'autres critères essentiels concernant la sûreté, sécurité, non prolifération. Cependant, les défis technologiques sont encore nombreux à relever pour satisfaire les contraintes imposées par l'utilisation de l'eau à l'état supercritique. Ainsi, les matériaux à utiliser sont encore à déterminer car ils devront pourvoir supporter les contraintes particulières des conditions de l'eau supercritique comme une pression de 25MPa et une température du caloporteur pouvant aller jusqu'à 650◦C. Ainsi les matériaux en contact avec l'eau supercritique devront éviter de subir une corrosion trop importante tout en conservant des propriétés de transparence neutronique satisfaisantes. De plus, l'utilisation de l'eau légère comme caloporteur rend l'absorption neutronique plus importante que dans un réacteur CANDU actuel où c'est l'eau lourde qui est utilisée à cette fin. Parmi les problèmes restant à résoudre pour le développement d'un réacteur de type SCWR figure aussi celui du coefficient de vide positif et des problèmes de sûreté conséquents. Dès lors, à l'exclusion d'une résolution directe de ces problèmes en vue de mettre en place un réacteur SCWR tel que pensé jusqu'ici, il existe certaines réponses permettant de s'approcher d'un modèle de réacteur SCWR. Parmi celles-ci, la nécessité de réaliser certains compromis afin de minimiser les contraintes et les inconvénients d'un réacteur SCWR constitue une option intéressante et digne d'attention. Des travaux préliminaires ont ainsi permis d'avancer la réflexion en ce sens. Prenant ces origines dans des études préliminaires d'optimisation de cycle pour des réacteurs supercritiques et sur la modélisation thermohydraulique d'un canal refroidi par de l'eau supercritique, un concept de réacteur hybride comportant deux types de canaux a vu le jour. Il est ainsi permis d'imaginer un réacteur avec une architecture à tubes de force mais présentant cette fois ci deux types de canaux : — Des canaux à l'intérieur desquels règnent des conditions thermodynamiques offrant un passage de l'eau à l'état supercritique et ainsi permettre un transfert de chaleur avantageux.

Abstract

Facing the current weather and energy global problem, Canada chose to develop a reactor cooled by water at supercritical conditions (SCWR). Inspired by the current CANDU-6 pressure tube technology, this concept should allow to save a substantial amount of efforts for developping a brand new kind of reactor by using the well-known pressure tube CANDU design. In fact, this type of reactor should be able to reach a better energy efficiency as well as other essential criteria about safety, security, non-proliferation... Nevertheless, there are still a lot of technology challenges to be dealt with to satisfy the differents obligations related to the use of supercritical water (SCW). Thus, materials to use remain undetermined because of a 25 MPa operating pressure and a 650◦C temperature for the SCW coolant. Actually, materials in presence of SCW should be able to avoid too much corrosion and remain low neutrons absorbers. Additionnaly, the use of a light water coolant makes the neutronic absorption more important than in CANDU heavy-water cooled reactors. Additionally, a positive coolant void reactivity (CVR) and safety related problem remains among the challenges to overcome for developping a SCWR. Bringing about a solutions to all these problems remains very difficult and that's why some concessions on these criteria have to be made in order to achieve a viable reactor. This study presents some thougts and works in that direction. Originally developped in early studies about thermodynamic cycle optimization for a SCW power plant, a new hybrid reactor concept with two channels types has arise. To this purpose, we imagine a pressure tube core design but with two different types of channels: — Some channels have thermodynamic conditions where water goes through a supercrit- ical state. — The other channels have "CANDU like" thermodynamic conditions allowing the flow of pressurized light water under sub-critical conditions. These two kinds of features should mitigate the drawbacks and constraints of a whole SCWR core while keeping some of the benefit of the SCW use (improved energy efficiency). The aim of this study is to determine whether or not this kind of hybrid core with two types of channels is viable. To this purpose we used neutronics as thermalhydraulic models.