Démarche innovante de conception de réacteurs nucléaires flexibles capables d’accommoder les forts taux de productions d’électricité variables

Innovative design approach of flexible nuclear reactors capable of accommodating high rate of variable electricity production

• Auteur / Autrice : Anne-Laure Mazauric
• Direction : Yvon Bésanger, Tuan Tran-Quoc
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 05/11/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble) - Equipe de recherche Systèmes et réseaux électriques (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Cécile Péra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Boutin, Nouredine Hadj-Said, Elsa Merle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Cécile Péra, Xavier Doligez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réacteurs à eau sous pression

Énergies renouvelables

Électricité -- Production

Réacteurs nucléaires

Mots clés libres

Stabilité

Flexibilité

Réglage de fréquence primaire

EnR variables

Conception nucléaire

Rep

Power system stability

Flexibility

Primary frequency control

Variable renewable electricity sources (vRES)

Nuclear design

Pwr

Résumé

Le système électrique assure à tout instant un équilibre entre la production et la consommation d'électricité. L’intégration massive de sources d'énergies renouvelables et variables (EnR), telles que l'éolien et le photovoltaïque peut affaiblir cet équilibre offre-demande. Parallèlement, les centrales de productions fortement émettrice en CO2 tendent, à court terme, à disparaitre du paysage énergétique. La suppression des centrales thermiques au profit de l'intégration croissante de ces EnR variables est inscrite dans la stratégie énergétique française de réduction des émissions de CO2. D’autre part, les centrales nucléaires contribuent en partie à l’équilibre journalier et saisonnier (« suivi de charge », réglage de fréquence) de la production – consommation. Toutefois, l’utilisation à des fins de flexibilité reste limitée du fait de contraintes technologiques et de choix économiques. Ces limites empêchent une modulation de la production nucléaire aussi efficace et rapide que celle des centrales thermiques classiques, qui sont privilégiées lors de fortes perturbations du réseau pour un contrôle rapide de la stabilité.L'objectif de la thèse est d'étudier, dans un premier temps les contraintes du système électrique notamment liées à une forte pénétration des EnR et de le retranscrire en termes de besoin de flexibilité. Dans un second temps, la thèse vise à introduire ces exigences de flexibilité dans la conception d'un réacteur nucléaire à haute flexibilité. De cette façon le réacteur nucléaire envisagé pourrait participer plus activement à l'équilibre permanent de l'offre et de la demande d'électricité, au contrôle de la fréquence, et à l'intégration des EnR variables sur le réseau. L’approche générale de la thèse consiste à étudier conjointement les défis du système électrique et de surcroit l’impact sur la conception du réacteur via un critère de flexibilité, ce qui permet le découplage des thématiques.La partie simulation des réseaux étudie les contraintes liées à une forte intégration des EnR sur le système électrique couplées à une réduction des machines thermiques traditionnelles. Des machines nucléaires à haute flexibilité sont introduites et leur impact étudié. La vitesse maximale de variation de la puissance de la machine nucléaire en fonction d’une perturbation EnR est proposée comme paramètre unitaire permettant de relier les deux domaines réseau électrique et conception nucléaire. Cette vitesse est directement paramétrée dans le modèle de régulation de la turbine sans nécessité de représenter le réacteur nucléaire.La partie conception nucléaire propose un modèle simple de chaudière nucléaire permettant de représenter les principaux phénomènes (physiques et régulations) mis en jeu lors des transitoires de puissance à différentes rampes. Les principales grandeurs techniques et technologiques des réacteurs actuels potentiellement limitantes pour la flexibilité sont mises en évidence. Puis, une étude de sensibilité teste différents paramètres de conception, et visualise l’influence de chacun sur les grandeurs d’intérêts afin d’observer la flexibilité du modèle.

The power system ensures a balance between electricity production and consumption at all times. The massive introduction of renewable and variable energy sources (RES), such as wind and photovoltaic can weaken this supply-demand balance. At the same time, high-carbon power plants will shortly disappear from the power mix. The removal of thermal power plants in favor of the increasing integration of these variable RES is part of the French energy strategy to reduce CO2 emissions. On the other hand, nuclear power plants contribute in part to the daily and seasonal balance ("load following", frequency control) of production - consumption. However, their use for flexibility purposes remains limited due to technological constraints and economic choices. These limitations prevent nuclear generation from being modulated as efficiently and quickly as conventional thermal power plants, which are preferred during severe grid disturbances for rapid stability control.The objective of the thesis is to study, in a first step, the constraints of the electrical system, in particular linked to a high penetration of RE and to transcribe it in terms of flexibility needs. In a second step, the thesis aims at introducing these flexibility requirements in the design of a high flexibility nuclear reactor. In this way the considered nuclear reactor could participate more actively in the permanent balance of electricity supply and demand, in frequency control, and in the integration of variable RES on the grid. The general approach of the thesis is to study jointly the challenges of the power system and in addition the impact on the reactor design via a flexibility criterion, which allows the decoupling of the topics.The network simulation part studies the constraints related to a strong integration of RE on the electrical system coupled with a reduction of the traditional thermal machines. Highly flexible nuclear machines are introduced and their impact studied. The maximum rate of change of the nuclear machine's power as a function of an RE disturbance is proposed as a unitary parameter to link the two domains of power system and nuclear design. This speed is directly parameterised in the turbine control model without the need to represent the nuclear reactor.The nuclear design part proposes a simple nuclear boiler model allowing to represent the main phenomena (physics and regulation) involved during power transients at different ramps. The main technical and technological parameters of current reactors that may limit flexibility can be highlighted. Then, a sensitivity study tests different design parameters, and shows the influence of each on the quantities of interest in order to observe the flexibility of the model.