Réacteur à eau bouillante

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Schéma d'un réacteur à eau bouillante Le réacteur à eau bouillante ou REB (en anglais BWR pour Boiling Water Reactor) est une technologie de réacteur nucléaire actuellement utilisée dans certaines centrales nucléaires électrogènes américaines, japonaises, allemandes, suédoises, finlandaises, russes, suisses… Le parc mondial de REB est environ le tiers du parc mondial de REP, pour les raisons principales suivantes :
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Réacteur à eau bouillante

Schéma d'un réacteur à eau bouillante Le réacteur à eau bouillante ou REB (en anglais BWR pour Boiling Water Reactor) est une technologie de réacteur nucléaire actuellement utilisée dans certaines centrales nucléaires électrogènes américaines, japonaises, allemandes, suédoises, finlandaises, russes, suisses… Le parc mondial de REB est environ le tiers du parc mondial de REP, pour les raisons principales suivantes :
- les REP dérivent directement des réacteurs de sous-marins, dès lors la technologie correspondante était nettement plus mature que celle des REB dans les années 1960 et 70 de fort développement du nucléaire dans le monde,
- les REB ont eu un développement plus lent lié, entre autres à la difficulté d'obtenir un gainage du combustible étanche durablement en fonctionnement. Il en découlait notamment un bilan radiologique négatif en exploitation, l'irradiation du personnel était plus importante que dans le cas des REP. Ce point est d' ailleurs une des raisons du choix de la filière REP en France au milieu des années 1970. Cela étant cette situation n'est plus d'actualité ; aujourd'hui grâce au progrès fait par les REB notamment au niveau de l'étanchéité du gainage du combustible le bilan radiologique est même plutôt en faveur des REB. La puissance (électrique) unitaire des REP est plutôt supérieure à celle des REB mais l' écart n' est pas très important et ne dépasse pas 15 % (par exemple 1550 MWe pour l'ESBWR et 1650 MWe pour EPR Réacteur pressurisé européen - avec option possible à 1800 MWe) Sans qu'on puisse l'affirmer il est assez probable que la proportion de la puissance installée de la filière REB augmente par rapport à la filière REP dans les prochaines années; ceci certainement à rythme lent car les électriciens chercheront à maintenir l'homogénéité de leur parc de centrales pour limiter les coûts d' exploitation et de formation des opérateurs La question de savoir s'il ne serait pas indiqué qu'EDF s'équipe de quelques réacteurs du type REB (une série de 4 par exemple) à l'occasion du renouvellement du parc actuel est de facto posée étant donné les avantages que cette filière procure par rapport à la filière REP. Outre les avantages à attendre pour l'électricien, ce choix placerait l'industrie française en situation très favorable vis -à-vis de la concurrence mondiale dans le domaine des réacteurs à eau légère.

Présentation générale du concept de réacteur à eau bouillante

À la différence du réacteur à eau pressurisée, le réacteur à eau bouillante n'a qu'un seul circuit primaire d'eau alimentaire et de vapeur produite après évaporation dans la cuve. L'eau bout, et ce en exploitation normale, dans la zone supérieure du cœur du réacteur, l'eau et la vapeur sont ensuite séparés dans la partie supérieure de la cuve. La vapeur sortant de la cuve en partie haute va directement dans la turbine, subit une condensation et retourne dans le réacteur. Ainsi, il n'y a pas d'échange thermique entre un circuit primaire en eau liquide et un circuit secondaire en eau vapeur comme dans le REP réacteur à eau pressurisée. Ce cycle et la température de fonctionnement plus élevé assure un rendement thermique un peu meilleur que celui des REP. En revanche, la forme partiellement vapeur du modérateur (de l'eau liquide en cours d'évaporation dans la zone supérieure du cœur) est moins favorable (et moins aisée à maîtriser et modéliser) du point de vue des contre-réactions à une excursion de puissance. D'un point de vue strictement fonctionnel en vue de la génération de vapeur, la cuve et le cœur du REB se comparent assez directement à un générateur de vapeur à tubes en U verticaux et recirculation du type de ceux utilisés sur les réacteur REP. En effet une recirculation de l'eau alimentaire est organisée dans la cuve : Le débit massique d'eau et de vapeur en ébullition nucléé passant dans le cœur est typiquement 7 fois supérieur au débit nominal de vapeur produite. Au-dessus du cœur une séparation (statique gravitaire et par centrifugation) de l'eau saturée et de la vapeur est organisée de façon très similaire à l'étage de séparation d'un générateur de vapeur de REP Le combustible nucléaire utilisé dans le cœur d'un REB est de l'uranium enrichi, et le fluide caloporteur qui circule dans l'unique circuit primaire est de l'eau ordinaire sous pression. Les taux d'enrichissement utilisés dans les REB sont les mêmes au 1 ordre que ceux utilisés dans les REP. Comme n'importe quel type de réacteur thermique (nucléaire ou à flamme), le condenseur d'un REB est réfrigéré par une grande quantité d'eau froide pompée dans un fleuve ou une mer. À proximité d'un REB, on trouve aussi parfois une tour de réfrigération pour réfrigérer l'eau utilisée dans le circuit des condenseurs des turbines. Le rendement thermodynamique d'un REB est plutôt supérieur à celui d'un REP tout en restant très voisin pour les raisons suivantes :
- les deux types de réacteur produisent de la vapeur saturée sèche ; la possibilité de surchauffer la vapeur pour augmenter le rendement thermodynamique n'a été mise en œuvre de façon industrielle ni par les REP ni par les REB alors que dans ce dernier cas les conditions d'échanges thermiques s'y prêtent mieux a priori
- la pression de la vapeur saturée produite est plus aisément ajustable à la valeur optimale soit aux environs de 80 bar dans le cas des REB puisque cette pression est celle à laquelle le réacteur fonctionne alors même que dans le cas du REP pour obtenir la même pression de vapeur il est nécessaire de faire fonctionner le circuit primaire du réacteur à une température plus élevée (typiquement de 25 à 30 °C en gros) et donc à une pression primaire nettement plus élevée pour que ledit circuit soit liquide aux températures en question. Typiquement la pression de fonctionnement du circuit primaire d'un REP (160 bar) est ainsi double de celle d'un REB. À remarquer que le réacteur EPR (REP) a augmenté -par rapport aux générations de REP antérieures- la valeur de la pression de la vapeur produite à pleine puissance jusqu'à 78 bar ce qui correspond sensiblement à la valeur optimale pour le rendement d'un cycle en vapeur saturée, comme le font assez couramment -on pourra dire "naturellement"- l'ensemble des réacteurs REB

Comparaison REP/REB

Les avantages du réacteur à eau bouillante

1°) Un REB n'a qu'un circuit, ce qui est gage de simplicité par rapport à un REP. Par exemple, un REP 4 boucles (type N4 ou Konvoy ou EPR) nécessite 5 grosses capacités chaudronnées (4 GV + le pressuriseur). Dans un REB, la cuve est certes plus grande mais dimensionnée à une pression sensiblement 2 fois moindre. Par ailleurs, du fait du moindre nombre de gros composants, pour une même puissance électrique, l'enceinte de confinement d'un REB est de moindre envergure que celle d'un REP. 2°) Ceci se traduit sur le coût d'investissement de l' ensemble de la tranche (ilôt nucléaire + partie dite classique) (génie civil et composants) qui est de l'ordre de 18 % moins élevé pour un REB par rapport à un REP de puissance équivalente. Les coûts de combustible et d'exploitation étant voisins, le coût de l'électricité issue d'un REB est légèrement inférieur à celui de l'électricité issue d'un REP. La différence reste faible. 3°) La pression primaire de fonctionnement d'un REB est sensiblement moitié moindre que celle d'un REP (typiquement 155 à 160 bar contre 78 à 80 bar). La température de fonctionnement d'un REB est inférieure de 25 à 30 °C par rapport à celle du REP au niveau du circuit primaire dans son ensemble et de plus de 50 °C si on compare au pressuriseur. Ce domaine de fonctionnement du REB est plus favorable que celui du REP vis-à-vis de la corrosion par l'eau déminéralisée des circuits primaires. 4°) La consommation d'électricité nécessaire au fonctionnement d'un REB est sensiblement la moitié de celle nécessaire au fonctionnement d'un REP (l'écart provient principalement de la puissance consommée par les pompes primaires du REP). La puissance nécessaire à la tranche est de l'ordre de 8% de la puissance nette délivrée au réseau pour un REP alors qu'elle n'est que de 4% dans le cas d'un REB. Par le fait, le rendement net de l'installation est augmenté de 1, 4 % grossièrement, point non négligeable 5°) En déclinaison de l'existence d'un seul circuit au lieu de deux, l'instrumentation du REB est plutôt moins conséquente que celle du REP ; par exemple : il y a 5 mesures principales de niveau dans 1 REP à 4 boucles (4 mesures de niveau GV + 1 au pressuriseur) contre une seule –très utile en cas d’ accident- dans le REB. 6°) Dans le cours du fonctionnement normal de l'installation un niveau d'eau s'établit dans la cuve des REB qui est mesuré en permanence et concourt à la régulation d'ensemble du système. Cette mesure de niveau d'eau dans la cuve qui n' existe pas en fonctionnement normal dans le REP est d'un intérêt capital dans la gestion d 'un éventuel accident de perte d'eau pouvant conduire au dénoyage transitoire du cœur. Par exemple dans le cas de l'accident de TMI2 (accident affectant un REP) les opérateurs ont été leurrés sur la quantité d'eau effectivement présente dans la cuve par la mesure de niveau d' eau dans le pressuriseur dont la fiabilité est discutable en situation accidentelle. 7°) Les REB ne sont pas contrôlés au bore soluble, ce qui :
- élimine le problème de la gestion de la teneur en acide borique du circuit primaire, source de préoccupation importante sur les réacteurs contrôlés à l'acide borique dissous.
- réduit considérablement les effluents liquides émis par l' installation.
- élimine la source principale de production de tritium dans les REP qui constitue la première source de rejets radioactifs de ces réacteurs.
- correspond à une conception plus sure puisque dans les analyses de sûreté les risques de perte de maîtrise de la concentration en bore dans le cas des REP font partie des évènements jugés prépondérants en terme de risque; dans le cas du REB une addition d' eau claire dans la cuve dans le cours d' un accident est sans conséquences; de même les risques de cristallisation de l'acide borique ne sont pas à considérer.
- réduit les risques de corrosion apportés par l'acide borique qui ont été à l'origine de déboires sérieux sur certains REP. 8°) Dans le cas des REB l'injection d'eau dans la cuve destinée à assurer le maintien sous eau du combustible en permanence est en 1 lieu faite par les pompes alimentaires de l'installation qui sont en fonctionnement en permanence et dont la disponibilité est ainsi contrôlée en permanence. Le risque de baisse du niveau dans la cuve pouvant conduire au dénoyage du cœur est donc a priori plus élevé dans le cas des REP que des REB 9°) Les boucles primaires principales d’un REP reliées à la cuve et la tuyauteries d’ extraction de vapeur du REB sont de diamètre assez comparable, mais :
- d’une part en cas de rupture d’une boucle de REP le débit massique durant les phases initiales de l’accident (en eau puis mélange diphasique) est très supérieur au cas des REB ou le débit est initialement en vapeur et ou la tuyauterie se situe en partie supérieure de la cuve
- d’autre part il est beaucoup plus aisé de pratiquer une restriction au niveau de la sortie vapeur sur la cuve dans le cas des REB que sur les boucles en eau des REP réduisant encore le débit massique vapeur à considérer en cas de rupture. Ces éléments font par exemple que les accumulateurs sous pression de gaz nécessaires sur les REP pour renoyer rapidement le cœur en cas de rupture des boucles primaires, ne sont pas nécessaires sur les REB. La tuyauterie d’ eau alimentaire d’un REB –de diamètre très inférieur au collecteur de vapeur- peut comporter un clapet de non retour placé au voisinage de la paroi de cuve, éliminant pratiquement les risques de dénoyage du cœur en cas de rupture. 10°) Outre les systèmes en fonctionnement en situation normale comme évoqué au point précédent (dans le cas des REB l'eau alimentaire constitue de facto un système d'injection d' eau de sécurité dans la cuve en fonctionnement permanent) il existe tant dans le cas des REB que des REP des systèmes de secours en attente disponible d'injection de sécurité dans la cuve dont les niveaux de fiabilité sont assez équivalent d'une filière à l'autre. Toutefois:
- d'une part dans le cas des REP la pression à laquelle ces systèmes doivent refouler pour obtenir l' injection est a priori supérieure au cas des REB, même si dans le cours de l'accident la pression cuve varie et baisse au moins dans le cas des brèches importantes
- d'autre part dans le cas des REB ces systèmes injectent directement dans la cuve (pour la raison simple qu'il n' y pas le choix ..) et non pas en un autre point du circuit primaire et typiquement dans les boucles comme dans un bon nombre de REP ; la disposition d'injection directe en cuve est supérieure en ce sens qu'elle supprime un assez grand nombre de modes communs notamment dans le cas de rupture de circuits liés aux boucles primaires principales (un certain nombre de REP comme par exemple ceux de technologie Babcok ou dérivée (ABB) ont toutefois une injection de sécurité directe en cuve) 11°) L’enceinte de confinement du REB est généralement sous atmosphère inerte ce qui élimine tout risque d’incendie en service normal et toute réaction chimique avec l’hydrogène émis par réaction zirconium eau en cas d’accident grave 12°) Une pénalité des REB vient de la nécessité d'avoir un gainage du combustible particulièrement étanche, cela étant dès lors que la densité de puissance du cœur des REB est en gros deux fois moindre que celle des REP cette étanchéité est de facto assurée en fonctionnement normal; La température à cœur du combustible est moindre dans un REB que dans un REP En outre, si une perte d'étanchéité du gainage est constatée en service impliquant la présence potentielle de PF (notamment gazeux, mais pas seulement) dans la partie turbine du circuit véhiculant l'eau et la vapeur primaire ceci n'a pas sur un réacteur électrogène terrestre de conséquences graves immédiates, il faut cependant isoler rapidement l'extraction de vapeur ce qui peut être fait au moyen d'un nombre suffisant de vannes d'isolement sur la vapeur -lesquelles pourraient être en nombre important s'il le fallait- sans pénalité importante sur le fonctionnement normal de l'installation. 13°) Les possibilités de faire varier la modération dans les cœurs de REB sont potentiellement supérieures au cas des REP. Dès lors les possibilités d'augmentation du taux de conversion de l'uranium 238 en plutonium 239 fissile sont potentiellement plus importantes dans le cas des REB que dans le cas des REP. D'une façon générale les REB utilisent mieux l'uranium que les REP, ce qui peut se révéler intéressant dans l'hypothèse d'un raréfaction -à long terme- des sources d'uranium naturel La mise en œuvre du cyle du thorium 232 // uranium 233 est potentiellement possible avec un réacteur du type REB 14°) A signaler l'évolution intéressante du concept de REB est actuellement en étude par différents constructeurs consistant à simplifier davantage le système en supprimant les pompes primaires de re-circulation et les boucles ou excroissances de cuve associées (ESBWR notamment). Il s'agit là d'une simplification importante génératrice d'une économie à l'investissement supplémentaire non négligeable

Les inconvénients du réacteur à eau bouillante

En contrepoint des avantages évoqués ci-dessus les REB présentent plusieurs inconvénients par rapport aux REP: 1°) La vapeur produite est active ce qui complique l'accès au hall turbine en fonctionnement ; toutefois post arrêt étant donné que les principaux corps formés par irradiation de l'eau sont à période très courte (moins de 10 secondes), il n'y a pas de réel problème pour les opérations de maintenance. Ceci, sauf dans les cas incidentels où l'étanchéité du gainage du combustible aurait été affectée et où par exemple des produits de fission gazeux seraient alors transférés vers la turbine et le condenseur. Cela étant, le hall turbine est dès lors une zone contrôlée nucléaire de façon plus stricte et plus complexe d'accès et de ventilation que le hall machine d'un REP 2°) A puissance égale donnée, un REB comporte un plus grand nombre d'éléments combustibles (typiquement 4 fois plus) et d'absorbants de contrôle. Le rechargement d'un cœur de REB est ainsi plus long que celui d'un cœur de REP 3°) Les mécanismes de manœuvre des absorbants de contrôle de la réactivité sont placés en partie inférieure de la cuve à l' image de ce qui est fait dans de nombreuses piles piscines; l'insertion des absorbants dans le cœur en cas d'arrêt d'urgence n'est pas simplement gravitaire comme dans le cas des REP ou typiquement la coupure de l'alimentation électrique d'un électro-aimant suffit à provoquer la chute. Chaque absorbant est équipé d'un système oélopneumatique d'insertion dans le cœur, dont la fiabilité est élevée (c'est un système "passif") mais qui est plus complexe que le système PWR. Des architectures de REB en cours d'études éliminent ces pénalités en prévoyant des absorbants manœuvrés au travers du couvercle de cuve et à chute gravitaire tel que le réacteur russe VK300 en cours de développement, par exemple. 4°) Les habillages internes de cuve sont plutôt plus complexes que ceux d'un REP essentiellement du fait qu' il faut organiser ;
- la séparation de la vapeur
- la recirculation de l' eau saturée A remarquer cependant que cette relative complexité des internes cuve devient un avantage lorsqu'il s'agit de gérer les premiers instants d'un accident de rupture de tuyauterie liée à la cuve car dans cette hypothèse l'intégralité du volume intérieur de la cuve se trouve ipso-facto en large communication et équilibre de pression, ce qui n' est pas le cas de nombreux REP ou ces cas d' accidents différents suivant si la brèche considérée est liée à la boucle "chaude" ou "froide" (la rupture en boucle froide est plus pénalisante) 5°) L' instrumentation en cuve est un peu plus compliquée dans le cas des REB que des REP 6°) Les traversées en fond de cuve que représentent les traversées pour mécanismes de manœuvre constituent une faiblesse du système plus grande que dans le cas des REP car une fuite importante ou brèche à ce niveau augmente le risque de dénoyage du cœur A signaler que des REB en études suppriment ce défaut (projet russe VK300) 7°) La gestion des gaz de radiolyse de l'eau dans le cœur (production d' hydrogène) est plus malcommode dans un REB que dans un REP, ce qui a historiquement conduit à divers incidents ; ce point lié entre autres au dessin détaillé des internes cuve supérieurs est réglable cependant sans difficultés majeures 8°) La gestion de l'eau du côté turbine et plus stricte et complexe que dans le cas d'un REP puisqu'il s'agit d'eau primaire ; par exemple :
- la filtration épuration de l' eau avant retour à la cuve est plus stricte que dans le cas de l'eau secondaire des REP
- les turbines doivent être à étanchéité totale ou contrôlée (gaz incondensables extraits de la turbine potentiellement actifs, etc.) 9°) La modélisation des phénomènes thermohydrauliques et neutroniques dans le cas des REB est plus compliquée que dans le cas des REP, ceci handicape les REB notamment lorsqu'on cherche à augmenter la puissance 10°) Bien que la neutronique et la thermohydraulique d'un REB soient a priori plus complexes que celle REP les taux de combustion du combustible atteints par les REB sont de facto quasiment les mêmes que ceux des REP

Commentaires sur la comparaison REB // REP

Bien que l' exercice de comparaison soit très difficile car les deux filières ont des avantages et des inconvénients;
- s'agissant d'une application électrogène (et uniquement dans ce cas d'application)
- dès lors que l'étanchéité du gainage du combustible est assurée,
- tenant compte de l'ensemble des développements récents de la filière REB qui a beaucoup progressé ces 20 dernières années,
- la question du système de manœuvre des absorbants, qui reste une forte pénalité, étant mise à part car en évolution de conception c% les constructeurs,
- la gestion de la reprise de réactivité liée au collapse de la vapeur contenue dans le cœur en fonctionnement étant supposée maîtrisée les autres inconvénients de la filière REB, pour importants qu'ils soient, ne sont pas réellement majeurs et au bilan la comparaison tourne plutôt à l'avantage des REB.

Développement de la filière

A remarquer que le concept de réacteur à eau supercritique est de facto une évolution du réacteur REB vers les hautes températures et donc vers les meilleurs rendements thermodynamiques puisqu'il est alors possible de fonctionner en vapeur surchauffée. Le Forum International Génération IV a retenu le concept de "réacteur à eau supercritique" comme l'un des concepts à développer. La technologie de l'eau/vapeur supercritique pour la production d'électricité est déjà développée depuis fort longtemps pour les centrales thermiques au charbon. Dans le cadre de la production électronucléaire, le RESC (réacteur à eau supercritique) vise à prendre le meilleur des technologies REB (contrôle de la modération, rendement thermodynamique) et REP (coefficient de vide négatif, mais non exagérément pour ne pas risquer de reprise de réactivité importante en cas de collapse des bulles présentes dans le cœur). En perspective il faut indiquer la possibilité d'augmenter le taux de conversion en Pu 239 du combustible U 238 avec peut être l'atteinte de l'iso-génération.

Lien interne

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- Réacteur à eau pressurisée
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Historique des modifications de "Réacteur à eau bouillante"

Liminaire: Je suis Internovice: Ne sachant pas comment on crée un historique dans Wikipedia je rajoute quelques éléments à la suite de l' article J' ai trouvé un peu par hasard une ébauche d'article sur les BWR dans Wikipedia vraiment très mince, il y a environ 1, 5 ans Depuis je me suis attaché à le comléter d'éléments que je crois important dont notamment la comparaison PWR // BWR qui sans être certainement complète est objective Elle doit faire réfléchir la communauté nucléaire française car sur la longue période c'est la technologie la plus sure et la moins chère qui s'imposera, or il n' y a pas de REB de forte puissance qui aité ét accepté par l' Autorité de Sûreté française ce qui est très regrettable. J' ai pratiqué un assez grand nombre de retouches diverses de façon à améliorer la clarté du texte du moins je l' espère Un certain nombre d'autres intervenants ont également retouché l' article depuis ce qui est très bien Cordialement Catégorie:Réacteur nucléaire de:Siedewasserreaktor en:Boiling water reactor es:Reactor de agua en ebullición fi:Kiehutusvesireaktori hu:Forralóvizes reaktor id:Reaktor air didih ja:沸騰水型原子炉 nl:Boiling water reactor pl:BWR ru:Кипящий ядерный реактор sr:Реактор са кључалом водом sv:Kokvattenreaktor zh:沸水反应堆
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