THÈSE : RÉACTEURS NUCLÉAIRES POUR LA PROPULSION MARINE ET LES SYSTÈMES DE PRODUCTION D'ÉLECTRICITÉ

Nous vous proposons la thèse suivante alors que le sujet revient sur la table avec la lutte contre les gaz à effet de serre:

Thèse pour l'obtention du diplôme de MSc (Master of Science) en technologie marine dans la spécialisation de l'ingénierie marine.

Réacteurs nucléaires pour la propulsion marine et les systèmes de production d'électricité

Par K.C.F. Houtkoop   (20/06/2022)

Résumé :

L'énergie nucléaire n'est actuellement pas une option couramment utilisée dans les applications maritimes commerciales, malgré son potentiel de réduction des émissions importantes. Cette thèse est une vue d'ensemble de ce qui a été fait auparavant, et du potentiel des applications modernes de l'énergie nucléaire marine, compte tenu des objectifs à long terme de réduction des émissions nocives dans l'industrie maritime.

Le concept de l'énergie nucléaire est abordé, suivi de l'état actuel de l'énergie nucléaire dans les applications terrestres et navales et dans l'application marine, essentiellement historique. Les réglementations relatives à l'application marine sont obsolètes et nécessitent un travail important pour une application réussie. Enfin, l'aspect sociétal de l'énergie nucléaire est souligné, car l'acceptation sociétale n'est pas évidente pour les applications de l'énergie nucléaire.

Différents développements dans le domaine de l'énergie nucléaire sont abordés, avec un intérêt particulier pour le SMR (Small Modular Reactor), les concepts qui font partie de la famille de la "génération IV", et les concepts qui peuvent fonctionner en utilisant du thorium comme combustible. Plusieurs options sont envisagées, depuis le PWR (Pressurized Water Reactor) bien établi jusqu'aux concepts de la génération IV : le HTR/VHTR (réacteur à haute/très haute température), les réacteurs rapides refroidis au gaz, au métal liquide et au sodium (GFR, LFR, SFR) et enfin le MSR (Molten Salt Reactor). Parmi ceux-ci, le HTR/VHTR et le MSR sous forme de petits réacteurs modulaires sont considérés comme l'option la plus intéressante pour l'application marine, en raison de leur sécurité passive, de leur taux de combustion élevé, de leurs températures de fonctionnement élevées et des possibilités d'utilisation du thorium à l'avenir.

Des critères sont établis qui sont d'importance pour un système de propulsion et de génération d'énergie marine, établissant un cadre pour une mise en œuvre. L'accent est mis sur des sujets tels que l'efficacité, les capacités de charge transitoire, l'impact environnemental, la viabilité économique, la taille et le poids.

Pour la conversion de l'énergie (qui relie la production de chaleur à l'énergie/électricité pour le navire), la turbine de Brayton à cycle ouvert avec un échangeur de chaleur a été choisie comme étant la plus appropriée, bien que la turbine à vapeur soit plus développée et présente un meilleur rendement. Le choix de la turbine Brayton à cycle ouvert s'explique par la réduction de la taille et du poids du système, ainsi que par un système de rejet de la chaleur relativement facile à mettre en œuvre pour améliorer les capacités de suivi de la charge. L'échangeur de chaleur choisi est de type hélicoïdal, car il est beaucoup plus développé et éprouvé que le PCHE (échangeurs thermiques à circuit imprimé).

La disposition la plus appropriée est une disposition entièrement électrique, car elle améliore considérablement la fiabilité (en renforçant la sécurité par des dispositions redondantes) et rend la mise en œuvre plus facile à appliquer à une multitude de navires. La disposition électrique permet de combiner des systèmes supplémentaires tels que des batteries et une alimentation de secours. Cette disposition est ensuite combinée à la turbine Brayton ouverte et à ses capacités de rejet de la chaleur pour garantir un système à la fois compact et très performant.

Enfin, quatre navires conceptuels appropriés ont été établis, permettant un remplacement à l'identique par un système de propulsion et de production d'énergie nucléaire. La comparaison avec les systèmes conventionnels à base de combustible a montré que la mise en œuvre de l'énergie nucléaire permet de réduire considérablement les émissions de CO₂ (plus de 98 %), tout en réduisant la taille et le poids des navires si ceux-ci sont de taille appropriée. La contrepartie de cette réduction est la production de déchets nucléaires, ainsi que l'augmentation des coûts initiaux due à l'investissement élevé associé à l'énergie nucléaire.

Pour en savoir plus sur les cycles de Brayton évoqués dans le texte : https://www.thermal-engineering.org/fr/quels-sont-les-types-de-cycle-de-brayton-ouvert-ferme-cycle-inverse-definition/#

Retrouvez cette thèse avec le lien suivant :  https://safety4sea.com/wp-content/uploads/2022/08/C-Job-Nuclear-reactors-for-marine-propulsion-and-power-generation-systems-2022_08.pdf