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\title{G\'{e}n\'{e}rer de la vapeur pour produire de
l'\'{e}lectricit\'{e} dans les centrales nucl\'{e}aires}

\alttitle{Vapor generation for electricity production purpose in
nuclear facilities}

\author{\firstname{Laura} \lastname{Matteo}\CDRorcid{0009-0002-7341-168X}\IsCorresp}
\address{D\'epartement d'\'Etudes des R\'eacteurs, CEA, DES/IRESNE/DER/SESI/LCOS, F-13108 Saint-Paul-Lez-Durance, France}
\email[L. Matteo]{laura.matteo@cea.fr}

\author{\firstname{Nicolas} \lastname{Tauveron}\CDRorcid{0000-0003-2458-316X}}
\address{Universit\'e Grenoble Alpes, CEA, DES/LITEN/DTCH/SSETI/LCST, F-38000 Grenoble, France}

\def\thanksname{Note}


\keywords{\kwd{Cycle de Rankine}\kwd{Carnot}\kwd{R\'eacteur
nucl\'eaire}\kwd{Turbine}\kwd{Conversion}}

\altkeywords{\kwd{Rankine cycle}\kwd{Carnot}\kwd{Nuclear
reactor}\kwd{Turbine}\kwd{Conversion}}

\begin{abstract}
L'article brosse une br\`eve vision historique de l'utilisation de la
vapeur dans les grandes installations industrielles que sont les
r\'eacteurs nucl\'eaires. Diff\'erentes g\'en\'erations de r\'eacteurs
sont pass\'ees en revue, depuis les r\'eacteurs refroidis au gaz
jusqu'aux r\'eacteurs \`a eau, en passant par les r\'eacteurs \`a
m\'etal liquide. Des usages nouveaux ou renouvel\'es de la vapeur d'eau
et de la vapeur de fluide organique sont \'egalement abord\'es
(cog\'en\'eration, r\'eseau de chaleur, production d'hydrog\`ene par
\'electrolyse, dessalement d'eau de mer par voie thermique, syst\`eme
de s\^uret\'e).
\end{abstract}

\begin{altabstract}
This article provides a brief historical overview of the use of steam
in large-scale industrial installations such as nuclear reactors.
Different generations of reactors are reviewed, from gas-cooled to
water-cooled to liquid metal reactors. New or renewed uses for steam
and organic fluid steam are also discussed (cogeneration, heat
networks, hydrogen production by electrolysis, thermal seawater
desalination, safety systems).
\end{altabstract}

\maketitle

\end{noXML}

\section{Bref historique de l'usage de la vapeur dans le cadre
industriel}\label{sec1}

La premi\`{e}re machine \`{a} vapeur nait au XVII\textsuperscript{e} si\`{e}cle
dans un contexte d'exploitation des mines de charbon anglaises. L'eau
s'accumulait dans les points les plus bas des mines,  rendant alors
rapidement les gisements inexploitables.\vadjust{\pagebreak}
Ce contexte poussa les
inventeurs de l'\'{e}poque \`{a} rechercher des solutions
m\'{e}caniques pour l'extraction de l'eau en remplacement des actions
manuelles de fait inefficaces.
 

L'approche de ces premiers inventeurs de machines \`{a} vapeur est
principalement exp\'{e}rimentale. Leurs recherches donnent lieu
successivement \`{a}~\cite{1,2}~:
\begin{itemize}
\item La machine de Papin en 1681~;
\item La pompe \`{a} feu de Savery en 1698~;
\item La machine \`{a} feu de Newcomen en 1712~;
\item La machine de Watt en 1769.
\end{itemize}
La diversification des usages industriels des machines \`{a} vapeur
arrive alors, avec la distribution d'eau dans les villes qui devient
envisageable en recourant \`{a} ce type de machines et repr\'{e}sente
une v\'{e}ritable avanc\'{e}e pour le confort des citadins au quotidien
\`{a} cette \'{e}poque.


Par la suite c'est le premier v\'{e}hicule \`{a} vapeur imagin\'{e} par
Cugnot en 1771 qui voit le jour, puis le bateau \`{a} vapeur de d'Abbans
en 1783 et finalement la locomotive \`{a} vapeur de Stephenson en 1814
dont on connait le r\^{o}le primordial pour le transport de personnes
et de marchandises au XIX\textsuperscript{e} si\`{e}cle.


C'est dans un deuxi\`{e}me temps en 1824 qu'intervient Sadi Carnot,
jeune fran\c{c}ais et ancien \'{e}l\`{e}ve de l'\'Ecole polytechnique
\^{a}g\'{e} alors de 28 ans, qui posa les fondements th\'{e}oriques de
la thermodynamique (m\^{e}me si le mot ne fut introduit que plus tard
par Lord Kelvin en 1849) parmi lesquels~: la n\'{e}cessit\'{e} d'une
th\'{e}orie g\'{e}n\'{e}rale, le rapport entre chaleur et travail,
l'ind\'{e}pendance du fluide de travail, le r\^{o}le de la source
froide et le fameux cycle qui allait porter son nom. Son pr\'{e}cieux
\'{e}crit \textit{R\'{e}flexions sur la puissance
motrice du feu et sur les machines propres \`{a} d\'{e}velopper cette
puissance} est consid\'{e}r\'{e} comme une
r\'{e}f\'{e}rence scientifique majeure~\cite{3}. Le rendement de
Carnot, dont l'expression tr\`{e}s simple met en jeu uniquement les
temp\'{e}ratures froide et chaude impliquant un cycle thermodynamique,
permet toujours dans les \'{e}tudes actuelles de conna\^{i}tre
rapidement la valeur maximale th\'{e}orique du rendement d'un cycle
donn\'{e}~:
{\[
\eta_{c}=1-T_{f}/T_{c}.
\]}\unskip
Avec, dans cette formule, $\eta_{c}$ le rendement de
Carnot, $T_{f}$ la temp\'{e}rature de la source froide et
$T_{c}$ celle de la source chaude.

Carnot est suivi plus tard par Clapeyron en 1834 qui travaille sur le
changement de phase, Joule en 1847 qui \'{e}nonce le premier principe
de la thermodynamique, Thomson en 1845--1850 et Clausius en 1850 qui
ach\`{e}vent de construire les lois de la thermodynamique telles que
nous les connaissons aujourd'hui.

C'est l'inventeur Parsons qui permet \`{a} la turbine \`{a} vapeur
\guillemotleft{}~moderne~\guillemotright{}~de voir le jour en 1884. Il
est possible de remonter jusqu'au 1er si\`{e}cle en trouvant des
prototypes cousins de la turbine vapeur telle que nous la connaissons,
parfois rudimentaires mais bas\'{e}s sur le m\^{e}me principe de
conversion de pression du fluide en \'{e}nergie m\'{e}canique de
rotation d'un arbre solide. L'anc\^{e}tre le plus lointain datant du
I\textsuperscript{er} si\`{e}cle est l'\'{e}olipyle invent\'{e} par le math\'{e}maticien
H\'{e}ron d'Alexandrie~\cite{1}.

Depuis lors, un enjeu important consiste \`{a} optimiser la
g\'{e}om\'{e}trie de la turbine vapeur en vue d'en am\'{e}liorer le
rendement de conversion. Cela a pu se faire via des essais
exp\'{e}rimentaux mais aussi en profitant aujourd'hui de moyens
informatiques cons\'{e}quents et d'outils de simulation
monodimensionnels \& tridimensionnels performants, permettant d'affiner
toujours plus le dessin des aubes et de la machine compl\`{e}te.

\section{La turbine vapeur et le cycle de Rankine}\label{sec2}

L'usage de la turbine vapeur permettant la conversion d'une
diff\'{e}rence de pression en une \'{e}nergie m\'{e}canique de rotation
se fait au sein d'un cycle thermodynamique dit \guillemotleft{}~de
Rankine~\guillemotright{}, du nom de son inventeur. Il s'agit d'un
cycle \`{a} changement de phase o\`{u} une source de chaleur
transf\`{e}re son \'{e}nergie \`{a} de l'eau initialement liquide, qui
sous ce flux de chaleur va venir se vaporiser et continuer \`{a}
\'{e}voluer dans le cycle sous forme gazeuse. Un sch\'{e}ma de principe
d'un cycle thermodynamique de Rankine \'{e}l\'{e}mentaire est donn\'{e}
en figure~\ref{fig1}, lequel met en avant les principaux composants
\'{e}l\'{e}mentaires d'un tel syst\`{e}me de conversion~:

\begin{itemize}
\item \textbf{La source chaude}, constitu\'{e}e du g\'{e}n\'{e}rateur
de vapeur (\'{e}changeur de chaleur fournissant une certaine
quantit\'{e} de chaleur \`{a} l'eau et donnant lieu \`{a} sa
vaporisation)~;

\item \textbf{La machine de conversion permettant de
r\'{e}cup\'{e}rer un travail}, constitu\'{e}e de la turbine~vapeur
(conversion d'une diff\'{e}rence de pression en une \'{e}nergie
m\'{e}canique de rotation)~;

\item \textbf{La source froide} constitu\'{e}e du condenseur
(\'{e}changeur de chaleur permettant de pr\'{e}lever une certaine
quantit\'{e} de chaleur \`{a} l'eau sous phase gazeuse et donnant lieu
\`{a} sa condensation)~;

\item \textbf{La machine de conversion fournissant un
travail}, constitu\'{e}e de la pompe (conversion d'une \'{e}nergie
m\'{e}canique de rotation en diff\'{e}rence de pression).
\end{itemize}


\begin{figure}
\vspace*{4pt}
\includegraphics{fig01}
\caption{\label{fig1}Cycle de Rankine \'{e}l\'{e}mentaire.}
\vspace*{4pt}
\end{figure}



Les cycles de Rankine \'{e}tant des cycles thermodynamiques \`{a}
changement de phase, ils permettent d'assurer la fourniture de travail
via le pompage en phase liquide, ce qui est peu co\^{u}teux en
\'{e}nergie en comparaison de la compression en phase gazeuse qui
existe dans les cycles thermodynamiques \`{a} gaz (sans changement
d'\'{e}tat liquide-vapeur) de type Brayton par exemple. D'un point de
vue pratique, les pompes des cycles de Rankine peuvent \^{e}tre
aliment\'{e}es \'{e}lectriquement sans contrainte de
positionnement et sans se soucier du rendement de conversion du moteur
\'{e}lectrique (g\'{e}n\'{e}ralement tr\`{e}s \'{e}lev\'{e}), alors que
les compresseurs des cycles Brayton \`{a} gaz sont souvent
connect\'{e}s m\'{e}caniquement \`{a} l'arbre de la turbine dans un
souci d'\'{e}conomie d'\'{e}nergie et de faisabilit\'{e} technologique.


\section{Usage de la vapeur d'eau dans l'industrie nucl\'{e}aire}\label{sec3}

Plusieurs technologies de r\'{e}acteurs nucl\'{e}aires existent dans le
monde et ont pu coexister en France, mais la plus commune reste celle
des {R\'{e}acteurs \`{a} Eau Pressuris\'{e}e} (REP).
Initialement sous licence am\'{e}ricaine, cette technologie a
\'{e}t\'{e} adapt\'{e}e par la suite en France. Elle a \'{e}galement
\'{e}t\'{e} port\'{e}e par le d\'{e}veloppement de la propulsion navale
militaire.

Ces r\'{e}acteurs sont compos\'{e}s de deux circuits principaux dans
lesquels circule de l'eau. Au sein du circuit primaire, l'eau est mise
sous pression (155 bars) de sorte \`{a} rester sous sa phase liquide
m\^{e}me \`{a} 320~\textdegree C. Elle est pomp\'{e}e afin d'assurer la
{circulation forc\'{e}e} du fluide (par opposition \`{a} la
circulation naturelle qui existe sous conditions de g\'{e}om\'{e}trie,
de gravit\'{e} et d'\'{e}cart de temp\'{e}rature entre deux points). La
circulation forc\'{e}e permet une bonne extraction de la chaleur au
niveau du c\oe{}ur nucl\'{e}aire, ainsi que son transport jusqu'au
g\'{e}n\'{e}rateur de vapeur. Ce dernier constitue la source froide du
point de vue du circuit primaire, mais la source chaude du point de vue
du circuit secondaire qui est tout simplement le cycle de Rankine
servant \`{a} la conversion thermique-m\'{e}canique puis
\'{e}lectrique.

Bien que le principe de fonctionnement soit le m\^{e}me et que les
composants strat\'{e}giques soient toujours pr\'{e}sents, un cycle de
Rankine industriel s'\'{e}loigne assez fortement d'un cycle de Rankine
\'{e}l\'{e}mentaire de par sa complexit\'{e} architecturale. Une
illustration de mod\'{e}lisation~\cite{4} d'un cycle de Rankine de REP
\`{a} l'aide du logiciel Thermoflex est propos\'{e}e en figure~\ref{fig2},
laquelle permet de fournir une estimation pr\'{e}cise du rendement
(autour de 34~\%) et d'appr\'{e}hender le degr\'{e} de complexit\'{e} du
syst\`{e}me. En effet, la recherche d'optimisation du rendement a
conduit les ing\'{e}nieurs \`{a} cr\'{e}er des chemins secondaires pour
le fluide dit \guillemotleft{}~soutirages~\guillemotright{}~en plus du
circuit principal, ainsi que des \'{e}changeurs de chaleur permettant
de pr\'{e}chauffer ou de surchauffer le fluide dans certaines zones.
L'\'{e}nergie n'est pas prise ailleurs que dans le cycle de Rankine
lui-m\^{e}me, mais elle est distribu\'{e}e aux endroits qui permettent
de maximiser l'efficacit\'{e} du cycle. Il faut \'{e}galement
mentionner qu'une fraction de la vapeur est aussi utilis\'{e}e pour
directement entrainer une turbopompe dans le circuit secondaire
(visible en bas de la figure~\ref{fig2}).


\begin{figure}
\vspace*{4pt}
\includegraphics{fig02}
\caption{\label{fig2}Mod\`{e}le THERMOFLEX d'un REP 1300 MWe~\cite{4}.}
\vspace*{4pt}
\end{figure}

Pour expliquer l'utilisation de la vapeur dans le cadre de
l'\'{e}nergie nucl\'{e}aire, nous allons toutefois nous ramener \`{a}
une architecture simplifi\'{e}e du cycle de Rankine servant \`{a} la
conversion de l'\'{e}nergie thermique en \'{e}nergie m\'{e}canique
(figure~\ref{fig1}), puis \'{e}lectrique via la connexion de la turbine \`{a} un
alternateur.

La r\'{e}gulation de la puissance fournie par le r\'{e}acteur peut se
faire via la variation de l'admission de vapeur \`{a} la turbine. Ceci
est tr\`{e}s utile pour l'exploitant qui peut utiliser une partie de
son parc de r\'{e}acteurs nucl\'{e}aires en mode \guillemotleft{}~r\'{e}seau
prioritaire~\guillemotright{}~ce qui permet de faire varier la production en fonction
de la demande et de la fourniture d'\'{e}lectricit\'{e} par les autres
syst\`{e}mes \'{e}nerg\'{e}tiques (intermittents notamment).

D'autres technologies de r\'{e}acteurs nucl\'{e}aires font usage de la
vapeur d'eau pour la conversion d'\'{e}nergie. Les r\'{e}acteurs dits
\guillemotleft{}~bouillants~\guillemotright{}~sont des r\'{e}acteurs \`{a} eau \`{a} cycle direct,
c'est-\`{a}-dire qu'il n'y a pas d'\'{e}changeur de type
g\'{e}n\'{e}rateur de vapeur permettant de transf\'{e}rer l'\'{e}nergie
\`{a} un second circuit et isolant ainsi le c\oe{}ur nucl\'{e}aire et
l'eau du circuit primaire. Au lieu de se faire au circuit secondaire,
le changement de phase est op\'{e}r\'{e} d\`{e}s la sortie du c\oe{}ur
nucl\'{e}aire, point chaud du r\'{e}acteur. La vapeur chemine ainsi
directement vers les turbines pour la transformation en \'{e}nergie
m\'{e}canique. 

Les R\'{e}acteurs \`{a} Neutrons Rapides refroidis au sodium
m\'{e}tallique liquide (RNRNa) disposent eux de trois circuits
distincts.~Un circuit primaire en fluide sodium o\`{u} se trouve le
c\oe{}ur, un secondaire toujours en sodium qui sert \`{a} transporter
l'\'{e}nergie vers un dernier circuit en eau~(le cycle de Rankine
servant \`{a} la conversion d'\'{e}nergie). L'ajout d'un circuit
interm\'{e}diaire a un r\^{o}le vis-\`{a}-vis de la s\^{u}ret\'{e} car
il permet d'\'{e}loigner toute \'{e}ventuelle r\'{e}action chimique
sodium-eau du c\oe{}ur du r\'{e}acteur. Le troisi\`{e}me circuit est
tr\`{e}s semblable au cycle de Rankine des REP d\'{e}crit plus haut.
Des r\'{e}acteurs de ce type ont exist\'{e} en France (Rapsodie,
Ph\'{e}nix, Superph\'{e}nix) mais ne sont plus en exploitation
aujourd'hui. De par la haute temp\'{e}rature disponible du c\^{o}t\'{e}
de la source chaude (environ 550~\textdegree C en sortie du c\oe{}ur
nucl\'{e}aire), le rendement global d'un RNRNa est sup\'{e}rieur \`{a}
celui d'un REP de quelques pourcents (le rendement est sup\'{e}rieur
\`{a} 40~\%~\cite{5}). La temp\'{e}rature de la source
froide (fleuve, air ambiant) \'{e}tant la m\^{e}me quelle que soit la
technologie de r\'{e}acteur install\'{e}e dans la centrale
nucl\'{e}aire, nous pouvions ais\'{e}ment nous attendre \`{a} cette
am\'{e}lioration du rendement gr\^{a}ce \`{a} l'expression du rendement
de Carnot~!

Il faut \'{e}galement rappeler que les r\'{e}acteurs nucl\'{e}aires
dits de premi\`{e}re g\'{e}n\'{e}ration~(la fili\`{e}re
\guillemotleft{}~uranium Naturel Graphite Gaz~\guillemotright{})
utilisaient un circuit primaire dont le caloporteur \'{e}tait du
dioxyde de carbone sous pression et un circuit secondaire comportant un
cycle de Rankine assez classique, \`{a} ceci pr\`{e}s qu'une partie de
la vapeur g\'{e}n\'{e}r\'{e}e \'{e}tait utilis\'{e}e directement pour
produire de l'\'{e}nergie m\'{e}canique entrainant les soufflantes au
CO$_2$ du circuit primaire~\cite{6}. Cet usage d'une fraction de la vapeur
du circuit secondaire \`{a} d'autres fins que la production
\'{e}lectrique pour le r\'{e}seau a \'{e}t\'{e} consid\'{e}r\'{e} dans
certains r\'{e}acteurs \`{a} haute temp\'{e}rature (c'\'{e}tait le cas
du r\'{e}acteur de Fort Saint Vrain aux Etats-Unis~\cite{7}). Il est
int\'{e}ressant de noter qu'en situation hors-nominale, de la vapeur
suppl\'{e}mentaire pouvait \^{e}tre produite pour alimenter ces
turbo-soufflantes. On retrouve \'{e}galement cette possibilit\'{e}
d'utilisation de vapeur pour entrainer des turbopompes en situation
incidentelle dans certains concepts de r\'{e}acteurs \`{a} eau.

\section{Utilisation de la vapeur \`{a} des fins autres que la
production d'\'{e}lectricit\'{e} par les centrales
nucl\'{e}aires}\label{sec4}

La plupart des centrales nucl\'{e}aires install\'{e}es actuellement
sont \'{e}lectrog\`{e}nes, c'est-\`{a}-dire d\'{e}di\'{e}e \`{a} la
production d'\'{e}lectricit\'{e}. Il existe toutefois des cas
particuliers non-\'{e}lectrog\`{e}nes tels que la centrale de Madras
utilisant de la vapeur et de l'\'{e}lectricit\'{e} en vue de dessaler
l'eau de mer~\cite{8}.

Il existe encore d'autres exemples tels que la centrale de Beznau en
Suisse~\cite{9} d\'{e}di\'{e}e au chauffage urbain. On
peut mentionner aussi des projets de cog\'{e}n\'{e}ration industrielle
en vue de la production d'hydrog\`{e}ne par \'{e}lectrolyse. Plus
g\'{e}n\'{e}ralement, d'autres r\'{e}alisations et projets vari\'{e}s
et innovants voient le jour dans le monde dans un contexte de
d\'{e}carbonation de divers usages de l'\'{e}nergie.

\section{Vapeur mais pas vapeur d'eau~: valorisation de la chaleur
fatale}\label{sec5}

Tout ce qui a \'{e}t\'{e} d\'{e}crit pr\'{e}c\'{e}demment n'a
trait\'{e} que de l'eau. L'eau poss\`{e}de d'excellentes
propri\'{e}t\'{e}s physico-chimiques et thermodynamiques, mais n'est
pas n\'{e}cessairement le fluide
\guillemotleft{}~id\'{e}al~\guillemotright{}~pour tous les niveaux de
pression et de temp\'{e}rature. Il s'agit ici d'\'{e}voquer d'autres
fluides de travail potentiellement int\'{e}ressants, notamment pour la
r\'{e}cup\'{e}ration d'\'{e}nergie dite de \guillemotleft{}~basse
temp\'{e}rature~\guillemotright{}, avoisinant typiquement la centaine
de degr\'{e}s Celsius. Tout proc\'{e}d\'{e} industriel thermique
rejette de la chaleur dans l'environnement. C'est le cas de la chaleur
transmise au fleuve ou \`{a} l'air ambiant in fine par les centrales
nucl\'{e}aires, mais aussi par tout autre type de centrale. Cette
chaleur est cependant de basse qualit\'{e} (c'est-\`{a}-dire difficile
\`{a} exploiter) car sa temp\'{e}rature est tr\`{e}s modeste
(inf\'{e}rieure \`{a} 40~\textdegree C). Par cons\'{e}quent, les travaux
de Carnot nous enseignent que l'usage de cette chaleur se ferait
n\'{e}cessairement \`{a} un rendement vraiment tr\`{e}s bas~; cette
voie d'exploitation de calories \`{a} une temp\'{e}rature aussi modeste
n'est pas r\'{e}ellement envisag\'{e}e, mais il est int\'{e}ressant de
mentionner quelques d\'{e}clinaisons plus subtiles.

Une variante des cycles de Rankine d\'{e}crits pr\'{e}c\'{e}demment a
vu le jour avec la vis\'{e}e de r\'{e}cup\'{e}rer une partie de la
chaleur \guillemotleft{}~fatale~\guillemotright{}~industrielle~\cite{10},
actuellement non valoris\'{e}e. Il s'agit des cycles de Rankine \`{a}
fluides organiques (ORC). Certains fluides organiques ont pour
caract\'{e}ristique de se vaporiser \`{a} basse temp\'{e}rature. La
turbine en aval du g\'{e}n\'{e}rateur de vapeur travaille ensuite avec
de la vapeur de fluide organique et non plus de la vapeur d'eau. De
tels cycles ont atteint une grande maturit\'{e} technologique et sont
d\'{e}ploy\'{e}s dans le monde pour la valorisation de chaleur fatale
industrielle ou pour la production d'\'{e}lectricit\'{e} \`{a} partir
d'une ressource renouvelable (solaire, g\'{e}othermie, biomasse).
Concernant les applications aux r\'{e}acteurs nucl\'{e}aires,
diff\'{e}rents types de configurations ont pu \^{e}tre \'{e}tudi\'{e}es
conceptuellement. Certaines cascades entre cycle de Rankine classique
et cycle de Rankine \`{a} fluide organique (ou parfois \`{a}
l'ammoniac) permettraient d'augmenter le rendement \'{e}lectrique
global~\cite{11}, mais n'ont pas vu le jour
industriellement. On trouve \'{e}galement des utilisations possibles de
ces cycles de Rankine \`{a} fluide organique (ou parfois au dioxyde de
carbone) dans le but d'am\'{e}liorer la r\'{e}silience des
r\'{e}acteurs nucl\'{e}aires en cas d'incident amenant \`{a} une perte
d'alimentation \'{e}lectrique~\cite{12}.

\section*{D\'eclaration d'int\'er\^{e}ts}
Les auteurs~ne travaillent pas, ne conseillent pas, ne poss\`{e}dent
pas de parts, ne re\c{c}oivent pas de fonds d'une organisation qui
pourrait tirer profit de cet article, et n'ont d\'{e}clar\'{e} aucune
autre affiliation que leurs organismes de recherche.

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