Deuxième partie : Etude thermodynamique.
Le fonctionnement du VHTR se présente d'un point de vue thermodynamique comme un cycle thermodynamique complexe appelé "Cycle de Brayton" au cours duquel le fluide caloporteur (ici l'hélium), va subir des régénérations, des compressions et des détentes étagées. Nous analyserons ce cycle en deux parties : la première consistera à décrire le phénomène sans rentrer dans les formules thermodynamiques puis la deuxième consistera à étudier plus en détail les variations de pression, de température et d'enthalpie de l'hélium. Première approche : Schéma 1 :
(1) L'hélium subit une compression dans un compresseur haute pression pour arriver à une température élevée. (2) Il sort du compresseur et s'achemine vers un regénérateur dans laquelle sa température va augmenter. L'hélium sort du régénérateur pour êatre injecté dans le réacteur. (3) A sa sortie du réacteur, sa température a encore augmenté. (4 et 5) Il est acheminé alors vers une turbine haute pression puis dans une turbine moyenne pression. Sa pression baisse au fur et à mesure de ses étapes, il va donc effectuer une détente. (6) Il arrive ensuite sur une turbine basse pression qui est reliée à un alternateur et qui produit la puissance utile. (7) L'hélium est alors renvoyé sur un régénérateur, étape au cours de laquelle il va commencer à se refroidir puis arriver dans un refroidisseur. (8) Il va subir une compression dans un compresseur basse pression pour augmenter sa pression. (9) Le gaz passe alors à nouveau dans un refroidisseur. (10) Puis il va retourner à l'étape (1) pour recommencer le cycle. On distingue clairement deux parties dans ce cycle : la première allant des étapes (1) à (6) permettant au gaz d'arriver à une température élevée et d'emmagasiner de la chaleur et sa conversion progressive en travail au niveau des turbines puis la deuxième étape allant des étapes (7) à (10) constituant des étapes de refroidissement et de réinjection du gaz pour recommencer le cycle total. Deuxième approche plus détaillée : Schéma 2 :
Commençons tout d'abord par donner quelques définitions sur l'enthalpie : D'après Wikipédia, l'enthalpie H est une fonction d'état thermodynamique dont la variation permet d'exprimer la quantité de chaleur mise en jeu pendant la transformation isobare (transformation à pression constante) d'un système thermodynamique au cours de laquelle celui-ci reçoit ou fournit un travail mécanique. Nous ajouterons la définition suivante : H = U + PV avec U, l'énergie interne du système, P, la pression du système et V, le volume du système. Le premier principe de la thermodynamique selon lequel : "Au cours d'une transformation quelconque d'un système fermé, la variation de son énergie interne est égale à la quantité d'énergie échangée avec le milieu extérieur, sous forme de chaleur et sous forme de travail.", on peut écrire que U = W + Q avec U, l'énergie interne du système, W, le travail reçu ou fourni, Q, la chaleur reçue ou fournie Notre expression précédente de l'enthalpie devient donc : H = W + Q + PV On comprend donc l'importance de la chaleur échangée au cours de notre cycle et de la pression du système (ici, l'hélium). Analysons à nouveau, à la lumière de ce que nous venons d'expliquer et avec le schéma 2, le cycle effectué par le gaz. (1) Un débit de 140 kg/s d'hélium est comprimé à l'aide d'un compresseur haute pression jusqu'à une pression P de 70 bars. Sa température T augmente et son enthalpie H (dans la suite, on omettra les expressions température T, pression P et enthalpie H pour les remplacer par température, pression et enthalpie) prend une certaine valeur initiale. L'état de l'hélium devient donc : m = 140 P = 70 bar T = 513,88 °C H = 2539,19 kJ/kg (2) L'hélium arrive dans un régénérateur haute pression mais dans lequel sa température augmente. L'état de l'hélium devient donc : m = 140 P = 70 bar T = 550 °C Il va ensuite se "refroidir" (il va en fait refroidir le coeur du réacteur et récupérer la chaleur de la fission nucléaire) ce qui va augmenter considérablement sa température. Il va perdre un petit peu de pression et son enthalpie augmentera considérablement (elle va presque doubler). Son état deviendra donc : m = 140 P = 67,4 bar T = 900 °C H = 4544,09 kJ/kg (3) Le gaz s'achemine alors vers une turbine haute pression dans laquelle il va subir une détente servant à entraêener un compresseur haute pression. Son état va passer à : m = 140 P = 56,12 bar T = 825,09 °C H = 4155,14 kJ/kg Sa pression a diminué (logique car il y a eu une détente), sa température a décru et son enthalpie aussi. (4) L'hélium entre dans une seconde turbine (turbine moyenne pression) qui est, quant à elle, équilibrée avec un compresseur basse pression. Sa température diminue, tout comme sa pression et son enthalpie. Il est désormais à l'état suivant : m = 140 P = 45,87 bar T = 748,18 °C H = 3755,83 kJ/kg (5) L'hélium est enfin détendu dans la turbine basse pression qui produit la puissance utile. Sa température baisse encore de mêame que sa pression et son enthalpie. L'état de l'hélium est donc : m = 140 P = 26 bar T = 559,37 °C H = 2775,42 kJ/kg (6) L'hélium entre dans un régénérateur basse pression qui amorce les étapes de refroidissement du gaz. Sa pression reste quasi constante. En revanche, sa température et son enthalpie chutent très fortement. On arrive à l'état suivant : m = 140 P = 25,74 bar T = 149,92 °C H = 649,41 kJ/kg (7) Le gaz entre désormais dans le premier refroidisseur du cycle et voit sa température diminuée fortement ainsi que son enthalpie. Nous sommes dans la deuxième étape de refroidissement du gaz. L'hélium est à l'état : m = 140 P = 25,48 bar T = 27,9 °C H = 15,84 kJ/kg (8) L'hélium continue son refroidissement au cours d'une compression bi-étagée grâce à un compresseur basse pression qui augmente la pression de l'hélium. On arrive à : m = 140 P = 42,9 bar T = 106,33 °C H = 423,07 kJ/kg On constate que la température augmente aussi et que l'enthalpie augmente à nouveau brutalement. (9) Le fluide caloporteur entre alors dans un circuit de refroidissement intermédiaire qui permet au gaz de se refroidir (sa température diminue donc) et à l'enthalpie de diminuer à nouveau mais tout en conservant une pression quasi constante. Son état avant de revenir à l'étape (1) est : m = 140 P = 42,47 bar T = 27,9 °C H = 15,84 kJ/kg On est donc revenu à la température et à l'enthalpie de l'étape (7). (10) L'hélium boucle à nouveau pour revenir à l'étape (1) et recommencer son cycle. Cette explication a été fortement inspirée de ce site : http://www.thermoptim.org/sections/technologies/systemes/cycles-nuceaires-haute . Par ailleurs, il était précisé aussi que, je cite "dans cet exemple, les rendements polytropiques des turbomachines sont supposés égaux à 0,9. Il en va de mêame pour l'efficacité des régénérateurs. On obtient donc un rendement très élevé de 48 % pour ce cycle.
On comprend tout de suite l'intérêt de ce genre de réacteurs à très haute température. Par ailleurs, l'intérêt des VHTR est que, compte tenu de l'inertie des processus industriels et des espoirs placés dans le développement des combustibles pour les transports, l'application principale du VHTR est la production d'hydrogène en mêame temps que celle de la production d'énergie. Néanmoins, on se heurte à des difficultés technologiques importantes car aucune expérience industrielle dans le développement des turbomachines à hélium n'existe à ce jour. Il faut aussi souligner le caractère délicat de la haute température proposée et de la résistance des matériaux sous une température aussi élevée. Le VHTR est, certes, une voie intéressante car il permettrait probablement de réutiliser les actinides mineurs (actuels déchets nucléaires produits par les centrales nucléaires de deuxième et troisième génération) dans le coeur du réacteur mais les difficultés industrielles ne permettent peut-êatre pas une mise en service en 2030 comme prévu pour la mise en service du premier réacteur de quatrième génération par le Forum Génération IV.