Optimisation multi-objectif des systèmes énergétiques

La demande sans cesse croissante de l'énergie ainsi que les préoccupations environnementales liées aux gaz à effet de serre amènent de plus en plus d'entreprises de production d'électricité publiques et privées à se tourner vers l'énergie nucléaire comme une alternative pour le futur. Les centrales nucléaires sont donc appelées à connaître une expansion prodigieuse dans les prochaines années. Des technologies améliorées devront alors être mises en place pour accompagner le développement de ces centrales. Dans le cadre de la présente thèse, il est envisagé d'optimiser le cycle thermodynamique de la boucle secondaire de la centrale nucléaire de Gentilly-2 en termes de la puissance produite et du rendement thermique. La centrale nucléaire de Gentilly-2 utilise un réacteur à eau sous pression de type CANDU. Elle comporte deux parties distinctes composées des circuits primaire et secondaire. Le circuit primaire est parcouru par de l'eau lourde sous pression, jouant le rôle de caloporteur pour récupérer la chaleur produite par fission dans le coeur du réacteur. Cette chaleur récupérée est alors transférée au circuit secondaire par l'intermédiaire des générateurs de vapeur (GV). La vapeur produite dans les GV est détendue dans les turbines pour produire du travail mécanique et entraîner un générateur électrique. Le rendement de conversion de l'énergie thermique en travail mécanique dans les centrales de type de CANDU est généralement faible (30 à 35%) comparativement aux centrales thermiques utilisant le combustible fossile dont le rendement peut atteindre 45%. Le cycle thermodynamique de la vapeur dans la boucle secondaire de la centrale nucléaire de Gentilly-2 est un cycle de Rankine avec surchauffe de la vapeur et la régénération de la chaleur. Ainsi, la vapeur produite dans les GV et proche de la saturation est détendue dans un premier temps dans une turbine haute pression, puis elle est surchauffée avant d'être détendue dans la turbine basse pression. La surchauffe a pour but de limiter l'humidité contenue dans la vapeur après sa détente dans la turbine haute pression. L'énergie nécessaire à la surchauffe provient d'un prélèvement d'une fraction de la vapeur produite au niveau des GV. Cette surchauffe favorise l'amélioration du rendement mais diminue en contrepartie le travail produit. Quant à la régénération, elle consiste à soutirer à différents étages de la turbine, une partie de la vapeur qui a déjà travaillé afin de réchauffer l'eau d'alimentation avant son retour dans les GV.

Abstract

The increasing demand of energy and the environmental concerns related to greenhouse gas emissions lead to more and more private or public utilities to turn to nuclear energy as an alternative for the future. Nuclear power plants are then called to experience large expansion in the coming years. Improved technologies will then be put in place to support the development of these plants. This thesis considers the optimization of the thermodynamic cycle of the secondary loop of Gentilly-2 nuclear power plant in terms of output power and thermal efficiency. Gentilly-2 nuclear power plant uses a pressurized water reactor of CANDU type. It has two distinct parts consisting of primary and secondary loops. Pressurized heavy water circulates through the primary loop, acting as coolant to recover the heat produced by fission in the reactor core. This heat is then transferred to the secondary loop through the steam generators (SGs). The steam produced in the SGs is expanded in the turbines to produce mechanical power that is converted into electricity in an electrical generator. The conversion efficiency of thermal energy into mechanical power in CANDU type power plant is generally low (30 to 35%) in comparison with that of fossil fuel power plants whose efficiency can reach 45%. The thermodynamic cycle of steam in the secondary loop of Gentilly-2 is a Rankine cycle with steam superheat and heat regeneration. Thus, the steam produced in the SGs and close to saturation is expanded initially in a high pressure turbine, then it is superheated before being expanded in the low pressure turbine. Superheating is required to limit the moisture contained in the steam after its expansion in the high pressure turbine. The energy required to superheat this steam is extracted from SGs. This superheating improves the efficiency but in return decreases the mechanical work produced by the turbines. The regeneration consists of extracting steam at different stages of the turbines in order to reheat the feedwater before it enters the SGs. Obviously, the steam extraction decreases the mechanical work produced by the turbines but in return will improve the cycle efficiency. Gains related to the reheat of the feedwater might be more important than the losses associated with the reduction of the mechanical work. In this thesis, investigations are carried out to determine the optimal operating conditions of steam power cycles by the judicious use of the combination of steam extraction at the different stages of the turbines.