Optimization of Power-Cycle Arrangements for Supercritical Water Cooled Reactors (SCWRS)

La croissance démographique et l'augmentation du niveau de vie moyen de la population entraînent une forte augmentation de la demande énergétique mondiale. Par ailleurs, soucieux de préserver l'environnement, la majorité des pays se tournent vers de nouvelles technologies et de nouveaux procédés pour la conversion d'énergie. C'est dans ce contexte qu'est né le Forum International Génération IV. Les pays membres de ce consortium ont pour objectif de développer la IVe génération de réacteurs nucléaires prévue aux horizons 2030. Les principales caractéristiques retenues sont : durabilité, compétitivité économique, sureté, fiabilité et résistance à la prolifération. Afin de répondre à ces nouvelles exigences six concepts de réacteurs nucléaires ont été retenus par les pays membres et sont actuellement en développement. Ainsi, le Canada a décidé de travailler sur le réacteur nucléaire refroidi à l'eau supercritique (SCWR – SuperCritical Water-cooled Reactor). Les travaux sur ce réacteur en sont encore à leur début, cependant il est dores et déjà attendu que la pression d'utilisation du fluide sera de l'ordre de 25 MPa et la température de sortie d'environ 625°C. Outre l'augmentation du rendement thermodynamique du cycle due à une température élevée du fluide, l'utilisation d'un fluide supercritique s'affranchit des changements de phase, ce qui permet de supprimer générateur et séparateur de vapeur. Il est également possible d'utiliser un cycle direct ; le fluide chauffé par le coeur du réacteur nucléaire est alors directement envoyé à la turbine sans passer par un cycle intermédiaire. Dans ce cadre, plusieurs cycles thermodynamiques appropriés aux spécificités de ce réacteur seront présentés ainsi que leur optimisation. Pour ce faire, un logiciel développé à l'Institut de Génie Nucléaire basé sur les algorithmes génétiques a été couplé aux modèles thermodynamiques du cycle en question. Cette méthode a été privilégiée étant donné la complexité que représente l'optimisation d'un cycle thermodynamique ; il s'agit en effet d'un problème multi-objectif. Le but de cette optimisation est d'accroitre le rendement thermodynamique du cycle ainsi que la puissance produite, deux fonctions en compétition. L'enjeu de cette optimisation est de trouver les solutions optimales au fonctionnement de la centrale tout en satisfaisant les contraintes physiques associées au problème. Les résultats obtenus offrent de nombreuses combinaisons de soutirage permettant d'atteindre des rendements de l'ordre de 50 % avec une puissance nette de 1200 MW. Il est à noter que dans la majorité des cas, seulement une partie des variables de décision contrôlent l'ensemble des solutions, ce qui est un facteur important dans la conception du cycle thermodynamique. Par ailleurs, des calculs de dimensionnement de la tuyauterie ainsi que des

Abstract

The world energy demand is continuously rising due to the increase of both the world population and the standard of life quality. Further, to assure both a healthy world economy as well as adequate social standards, in a relatively short term, new energy-conversion technologies are mandatory. Within this framework, a Generation IV International Forum (GIF) was established by the participation of 10 countries to collaborate for developing nuclear power reactors that will replace the present technology by 2030. The main goals of these nuclear-power reactors are: economic competitiveness, sustainability, safety, reliability and resistance to proliferation. As a member of the GIF, Canada has decided to orient its efforts towards the design of a CANDUtype Super Critical Water-cooled Reactor (SCWR). Such a system must run at a coolant outlet temperature of about 625°C and at a pressure of 25 MPa. It is obvious that at such conditions the overall efficiency of this kind of Nuclear Power Plant (NPP) will compete with actual supercritical water-power boilers. In addition, from a heat-transfer viewpoint, the use of a supercritical fluid allows the limitation imposed by Critical Heat Flux (CHF) conditions, which characterize actual technologies, to be removed. Furthermore, it will be also possible to use direct thermodynamic cycles where the supercritical fluid expands right away in a turbine without the necessity of using intermediate steam generators and/or separators. This work presents several thermodynamic cycles that could be appropriate to run SCWR power plants. Improving both thermal efficiency and mechanical power constitutes a multi-objective optimization problem and requires specific tools. To this aim, an efficient and robust evolutionary algorithm, based on genetic algorithm, is used and coupled to an appropriate power plant thermodynamic simulation model. The results provide numerous combinations to achieve a thermal efficiency higher than 50% with a mechanical power of 1200 MW. It is observed that in most cases the landscape of Pareto's front is mostly controlled only by few key parameters. These results may be very useful for future plant design engineers. Furthermore, some calculations for pipe sizing and temperature variation between coolant and fuel have been carried out to provide an idea on their order of magnitude.