Ces dernières années, les centrales nucléaires ont connu des progrès importants pour accroître leur efficacité et leur capacité.Ces innovations dans les augmentations de puissance des réacteurs et les améliorations de capacité sont essentielles pour répondre à la demande énergétique mondiale croissante tout en maintenant les normes de sûreté et d'environnement.Avec de nombreux réacteurs existants qui approchent de la mi-vie ou au-delà, les hausses offrent un moyen rentable de réduire le besoin d'électricité de la même infrastructure, de réduire le besoin de nouvelles constructions et de réduire les émissions globales de carbone.

Comprendre les améliorations de la puissance

Un accroissement de la puissance consiste à augmenter la puissance maximale d'un réacteur nucléaire au-delà de sa capacité autorisée initiale.Ce processus permet aux réacteurs existants de produire plus d'électricité sans construire de nouvelles installations, ce qui en fait une option économiquement attrayante pour les services publics.Les augmentations relèvent généralement de deux grandes catégories : celles qui ne nécessitent que des ajustements opérationnels mineurs et celles qui exigent des modifications matérielles importantes et une approbation réglementaire.

L'intérêt mondial pour les hausses est motivé par plusieurs facteurs : l'infrastructure vieillissante des centrales qui peut encore être améliorée à moindre coût que les nouvelles constructions, l'amélioration de la performance du combustible permettant une combustion plus élevée et des systèmes de contrôle numérique avancés qui permettent une gestion plus précise des réacteurs.

Types de mises à niveau de puissance

Les augmentations de puissance sont classées selon l'ampleur de l'augmentation et l'ampleur des modifications requises. Chaque type a des exigences techniques et réglementaires distinctes.

Améliorations opérationnelles

Les hausses opérationnelles, parfois appelées hausses de puissance étirables, entraînent de faibles augmentations de la puissance généralement inférieure à 7%. Elles sont obtenues par l'amélioration des pratiques opérationnelles, une meilleure calibration des instruments et des ajustements mineurs aux points de consigne des installations. Aucun changement important du matériel n'est nécessaire et l'approbation réglementaire est simplifiée. Par exemple, le Nuclear Energy Institute (NEI) note que de nombreux réacteurs américains ont mis en place de telles hausses pour récupérer la marge perdue lors de l'octroi initial de licences.

Mise à niveau de la puissance étendue

Les augmentations de puissance (UPE) prolongées entraînent des augmentations plus importantes, souvent de 10 % à 20 % ou plus, ce qui nécessite des modifications matérielles importantes, notamment des générateurs de vapeur améliorés, des turbines à haute pression, des pompes de refroidissement et des chauffe-eau. L'examen réglementaire est plus rigoureux, ce qui comprend des analyses de sécurité détaillées, des évaluations thermohydrauliques et des évaluations probabilistes des risques.

Mesure de l'incertitude Recapture de reprise

Une troisième catégorie, la récupération de l'incertitude de mesure (MUR), consiste à utiliser des instruments plus précis pour mesurer les débits de base. En réduisant le conservatisme dans les mesures de débit, les centrales peuvent augmenter la puissance de 2 % sans modification physique.

Technologies innovantes Renforcement des capacités

Plusieurs technologies émergentes ont permis de mettre à niveau les capacités de façon plus sûre et plus efficace, et ces innovations visent à éliminer les principaux goulets d'étranglement dans le transfert de chaleur, les performances des carburants et les systèmes de contrôle.

Systèmes de refroidissement avancés

Les systèmes de refroidissement avancés comprennent des échangeurs de chaleur améliorés, des tours de refroidissement à haute capacité et des conceptions hybrides de refroidissement à sec et humide. Par exemple, certaines usines ont remplacé les tours de refroidissement plus anciennes par des tours de refroidissement mécaniques plus efficaces, permettant un rejet de chaleur plus important.

Conceptions améliorées des carburants

Les combustibles modernes sont conçus pour résister à une combustion et à des températures plus élevées tout en maintenant l'intégrité de la structure. Les assemblages de combustibles à forte combustion (>60 GWd/tU) permettent aux réacteurs de fonctionner plus longtemps entre le ravitaillement et l'extraction d'énergie par tige de combustible. Les combustibles tolérants aux accidents (ATF) tels que les matériaux de revêtement enduits et les alliages de chrome-aluminium (FeCrAl) fournissent une marge supplémentaire pendant les périodes transitoires.

Instrumentation et contrôle numériques

Les systèmes numériques peuvent mettre en place des algorithmes avancés pour la gestion de la distribution de l'énergie de base, permettant une exploitation plus proche des limites thermiques avec plus de confiance. Ils facilitent également le diagnostic à distance et l'entretien prédictif, réduisant les pannes forcées. De nombreuses usines qui font l'objet d'améliorations investissent dans des améliorations numériques dans le cadre de l'effort global de modernisation.

Améliorations de turbine et de générateur

Pour réaliser une augmentation de puissance, il faut améliorer le générateur de turbine pour gérer l'augmentation du débit de vapeur, ce qui peut impliquer le remplacement des rotors haute pression, des pales LP ou de l'ensemble du stator du générateur par des conceptions plus efficaces.

Considérations relatives à la sécurité et cadre réglementaire

La sécurité est primordiale pour toute augmentation de puissance. Le CNRC et d'autres organismes de réglementation exigent des titulaires de permis qu'ils démontrent que l'usine peut fonctionner en toute sécurité au niveau de puissance supérieur dans tous les états d'exploitation et dans les conditions d'accident, notamment en réinjectant des analyses thermohydrauliques, en vérifiant que les systèmes de refroidissement de base d'urgence ont une capacité suffisante et en réévaluant les marges de pression de confinement.

Les normes internationales, comme celles de l'AIEA, fournissent des conseils sur les marges de sûreté et les pratiques exemplaires. Parallèlement, l'industrie a élaboré des approches normalisées pour améliorer la mise en oeuvre, réduire le fardeau réglementaire par l'entremise de codes et de normes comme la section XI de l'ASME et le Guide de réglementation du CNRC 1.136.

Études de cas mondiales sur les améliorations réussies des capacités

Les exemples suivants montrent la faisabilité et les avantages des augmentations de puissance dans différents types de réacteurs et environnements réglementaires.

États-Unis: Turquie Unités ponctuelles 3 et 4

La centrale nucléaire de Turkey Point de Floride Power & Light (deux centrales nucléaires à puissance variable) a connu une augmentation de puissance prolongée approuvée par le CNRC en 2009. La hausse a augmenté la capacité de chaque unité de 693 MW à environ 783 MW, ce qui représente un gain de 13 %.

Suède: Unité 3 de Ringhals

Ringhals 3, un réacteur à trois boucles de Westinghouse, a augmenté sa production de 2775 MWth à 3130 MWth (un taux de montée thermique de 12,8 %) grâce à une combinaison d'améliorations de combustible et de mises à niveau des I&C. Le projet a impliqué l'octroi de licences de l'autorité suédoise de la radioprotection et a été achevé en 2014.

Corée du Sud: unités Shin Kori 3 et 4

Les réacteurs APR-1400 de la Corée du Sud à Shin Kori ont atteint une capacité nominale de 1400 MWe, mais une analyse et une expérience opérationnelle plus poussées ont permis une augmentation de 1425 MWe (augmentation d'environ 1,8 %).

Orientations et défis futurs

La prochaine génération de centrales à haut débit tirera probablement parti des réseaux numériques à deux voies, de l'apprentissage des machines et des capteurs avancés pour rapprocher les réacteurs de leurs limites d'exploitation réelles tout en maintenant la sécurité. Les petits réacteurs modulaires (RMR) sont conçus avec une marge de capacité inhérente pour les centrales à haut débit dans le cadre de leur stratégie de production souple.

Une autre possibilité émergente est le couplage des centrales nucléaires avec la production d'hydrogène ou la cogénération, qui permet d'utiliser une capacité thermique excédentaire pour des applications non électriques, ce qui peut améliorer l'économie des centrales et fournir un autre flux de revenus qui complète la production d'électricité pendant les périodes de faible demande.

Conclusion

Grâce à une combinaison de technologies améliorées, d'analyses rigoureuses de sûreté et de cadres réglementaires favorables, les services publics du monde entier ont démontré que les centrales existantes peuvent produire plus de kilowattheures en toute sécurité. À mesure que la transition énergétique mondiale s'accélère, les hausses demeureront un outil essentiel pour maximiser la valeur du parc nucléaire existant tout en assurant la fiabilité et la durabilité.