La menace croissante d'un temps extrême pour les opérations de la RP

Les phénomènes météorologiques extrêmes – on enregistre des vagues de chaleur, des ouragans, des inondations intérieures et des sécheresses prolongées – deviennent plus fréquents et plus intenses, menaçant directement la capacité des usines de production de PWR à maintenir des fonctions de refroidissement essentielles. Au cours d'une vague de chaleur, la température de l'air ambiant et de l'eau peut dépasser les limites de conception, réduisant l'efficacité thermique des tours de refroidissement et des systèmes une fois par jour. Les ouragans et les ondes de tempête risquent de causer des dommages physiques aux structures d'admission et aux tours de refroidissement, tandis que les inondations peuvent inno plus tard les équipements liés à la sécurité.

Ces perturbations ne sont pas théoriques.Ces dernières années, plusieurs centrales nucléaires dans le monde ont été contraintes de réduire la production ou de mettre en œuvre des procédures d'urgence en raison de conditions météorologiques extrêmes. Par exemple, au cours de la canicule du Pacifique Nord-Ouest de 2021, plusieurs centrales nucléaires américaines ont dû réduire leur puissance en raison des températures supérieures aux limites permises.

Les projections climatiques indiquent que, d'ici 2050, de nombreuses régions connaîtront des vagues de chaleur qui ont été considérées comme des événements du siècle passé tous les quelques années. La vulnérabilité des infrastructures de refroidissement existantes est mesurée non seulement en termes de capacité de rejet thermique, mais aussi en termes de fiabilité de l'alimentation électrique des pompes et des ventilateurs de refroidissement. Les événements extrêmes causent souvent une instabilité du réseau ou des pannes de courant, ce qui complique le défi.

Conceptions innovantes de systèmes de refroidissement

1. Systèmes de refroidissement passif avancés

Les systèmes de refroidissement passif, qui reposent sur des processus physiques naturels plutôt que sur des composants mécaniques actifs, sont à l'avant-garde des conceptions qui renforcent la résilience.Ces systèmes éliminent la dépendance à l'égard de l'énergie hors site et des pompes actives, les rendant intrinsèquement plus fiables en cas de conditions météorologiques extrêmes, lorsque les défaillances du réseau sont probables.

Dans un modèle avancé de PWR, comme le Westinghouse AP1000, le récipient de confinement est entouré d'une enveloppe en acier refroidie par circulation naturelle d'air et évaporation de l'eau. Lors d'un événement météorologique extrême où le refroidissement normal peut être altéré, l'eau d'un grand réservoir drainé par gravité coule sur la coque en acier et la vapeur qui en résulte transporte la chaleur dans l'atmosphère par un courant naturel. Ce système peut fonctionner indéfiniment sans aucune action de courant alternatif ou de l'opérateur, fournissant un tampon de sécurité crucial pendant les vagues de chaleur prolongées ou après une panne de station déclenchée par un ouragan.

Les PCM absorbent de grandes quantités de chaleur pendant la fusion et la libèrent pendant la solidification, agissant efficacement comme batteries thermiques. Par exemple, un système de refroidissement de secours pourrait intégrer un échangeur de chaleur PCM qui fournit plusieurs heures de capacité de refroidissement sans aucune puissance active. Pendant les opérations normales, le PCM est resolidifié, prêt pour le prochain événement extrême.

**Les tours de refroidissement à courants naturels** sont une technologie passive mature qui peut être améliorée pour la résilience.Les tours de refroidissement mécaniques traditionnelles comptent sur des ventilateurs qui peuvent échouer lors de pannes de courant. Remplacer ou compléter ces tours par des tours de refroidissement naturelles hyperboliques plus hautes force l'air à travers le matériau de remplissage uniquement par flottabilité.

De nombreux nouveaux modèles intègrent de grands réservoirs d'eau protégés (p. ex. des réservoirs souterrains ou des bassins de refroidissement remplis de fond) qui sont physiquement isolés des ondes de tempête et des inondations. Ces réservoirs peuvent être dimensionnés pour fournir des semaines de refroidissement sans compter sur aucune source d'eau externe. En découplant les rivières ou les lacs, la plante évite la vulnérabilité aux faibles niveaux d'eau ou aux températures ambiantes élevées qui affectent une fois le refroidissement par l'intermédiaire.

2. Infrastructure de refroidissement souterraine et géothermique

Les ouragans, les tornades, les ondes de tempête et les eaux de crue ont une capacité limitée de dommages aux structures enfouies. Les systèmes de refroidissement souterrain bénéficient de l'environnement thermique stable du sol, qui amortit les fluctuations de température et fournit un dissipateur de chaleur plus froid et constant que l'air ou l'eau de surface pendant les vagues de chaleur.

Ces systèmes circulent dans des conduites enfouies à des profondeurs de plusieurs mètres, où la température du sol demeure relativement constante (p. ex., 10-15°C toute l'année dans les climats tempérés). Le fluide rejette la chaleur au sol par conduction et est ensuite pompé vers les condensateurs de la centrale. Bien que le coût initial de l'installation soit supérieur à celui d'une tour de refroidissement classique, le système est presque à l'abri des températures ambiantes et des températures de surface extrêmes.

Un concept connexe est **refroidissement géothermique**, qui utilise des échangeurs de chaleur de forage profonds (jusqu'à 100–300 m) pour rejeter la chaleur dans la surface souterraine de la terre. Cette technologie est déjà commerciale pour la construction de CVC et est mise à l'échelle pour des applications industrielles. Pour une usine de PWR, un champ de refroidissement géothermique pourrait servir de puits de chaleur ultime totalement indépendant et passif. La performance du système est prévisible et stable, même pendant les vagues de chaleur sévères lorsque la température de l'air dépasse 45 °C. Le principal défi est la grande surface de terrain requise pour le champ de forage, mais cela peut être atténué par l'utilisation de réseaux verticaux ou de propriétés végétales existantes.

**Des bassins de refroidissement souterrains** ou **des bassins linéaires** protégés par de solides structures en béton peuvent également être incorporés. Il s'agit essentiellement de réservoirs d'eau à grande quantité creusés sous la qualité, avec des couvertures renforcées pour protéger contre les inondations et les débris. Ils peuvent être remplis d'eau d'une source sûre et servir d'inventaire dédié pour la condensation de la vapeur par des échangeurs de chaleur de circulation naturelle.

L'adoption d'infrastructures de refroidissement souterrains s'harmonise également avec les exigences de durcissement des nouvelles constructions nucléaires dans les régions sujettes aux ouragans ou aux ondes de tempête. Des organismes de réglementation comme la Nuclear Regulatory Commission (NRC) des États-Unis ont de plus en plus insisté sur la nécessité de protéger les composants liés à la sûreté des inondations externes, comme après l'accident de Fukushima Daiichi.

3. Approches de refroidissement hybrides et flexibles

Les systèmes de refroidissement hybrides combinent des technologies actives et passives pour obtenir des performances optimales dans un large éventail de conditions, y compris des conditions météorologiques extrêmes. En fonctionnement normal, les composants actifs (p. ex. grandes pompes, ventilateurs mécaniques de courants d'air) assurent un rendement de refroidissement élevé avec une dégradation thermique minimale.

Un exemple pratique est **les tours de refroidissement humides/sèches**. Ces tours comprennent à la fois des échangeurs de chaleur refroidis par eau (section humide) et des échangeurs de chaleur refroidis par air (section sèche).Dans des conditions normales, le refroidissement humide offre le plus grand rendement, rejetant la chaleur par évaporation. Lors d'une sécheresse lorsque l'eau est rare, ou pendant une onde de chaleur lorsque les températures de l'eau sont élevées, la section sèche peut être utilisée pour réduire la consommation d'eau et maintenir le refroidissement sans violer les permis de décharge thermique.

Dans les modèles avancés de PWR comme l'APR1400 (Korean) ou VVER-1200 (Russian), les systèmes de sécurité actifs sont soutenus par des condenseurs passifs et des réservoirs d'injection à gravité qui fonctionnent pendant l'arrêt de la station. Pendant les temps extrêmes qui peuvent causer une perte prolongée de l'énergie hors site, les systèmes passifs fournissent un puits de chaleur fiable pendant plusieurs jours, après quoi les systèmes actifs peuvent être rétablis une fois que le réseau est retourné ou que des générateurs portables sont déployés.

**Le refroidissement par hydrothermie avec stockage d'énergie thermique** est un autre concept innovant. Les réservoirs de stockage thermique, remplis d'eau ou de matériaux de changement de phase, peuvent être chargés pendant le fonctionnement normal (par exemple en détournant une partie du flux de refroidissement) et déchargés lorsque nécessaire pendant un événement extrême. Cela transforme efficacement le système de refroidissement en un tampon, permettant à l'usine de continuer à fonctionner à pleine puissance pendant plusieurs heures, même si le puits de chaleur ultime est temporairement dégradé.

La flexibilité des systèmes hybrides permet également de suivre les charges et de fournir des services de réseau, qui sont de plus en plus demandés à mesure que la pénétration des énergies renouvelables augmente. Une installation PWR résistante avec refroidissement hybride peut ajuster rapidement son mode de refroidissement pour correspondre à une production électrique variable sans compromettre la sécurité.

Innovations en ingénierie et matériaux pour des conditions extrêmes

Les défis structuraux et matériels liés aux phénomènes météorologiques extrêmes exigent des innovations au-delà de l'architecture du système.Les composants du système de refroidissement – échangeurs de chaleur, tuyaux, pompes et valves – doivent résister à des températures élevées, à des environnements corrosifs et à des contraintes physiques dues au vent, aux inondations et aux débris.

**Les alliages à haute température** et **composés de matrice céramique** sont de plus en plus spécifiés pour les échangeurs de chaleur fonctionnant près des limites de température supérieures de la conception. Par exemple, les systèmes de refroidissement à sec fonctionnant pendant les vagues de chaleur peuvent exposer les tubes à des températures d'air supérieures à 45°C pendant de longues périodes, accélérant la corrosion ou le fluage.

** Les polymères résistants à la corrosion** et **les plastiques renforcés par les fibres** sont des applications dans le remplissage des tours de refroidissement, les bassins et les canalisations où la réduction du poids et la résistance aux attaques chimiques sont bénéfiques. Ces matériaux ne corrodent pas les métaux et peuvent être conçus pour résister aux vents et aux charges sismiques dus aux ouragans. **Les bétons autoguérisants** et **les coulis mécaniques** sont explorés pour les structures de refroidissement souterraines afin d'assurer une intégrité à long terme, même si des fissures mineures surviennent lors de mouvements au sol pendant des conditions météorologiques extrêmes.

**Les systèmes de commande distribués avec capteurs redondants et électroniques durcis peuvent garantir que les systèmes de refroidissement réagissent correctement en cas de perte de communication ou de puissance. **Les algorithmes d'intelligence artificielle** et **apprentissage automatique** sont en cours de développement pour prédire les performances du système de refroidissement dans des conditions extrêmes et optimiser l'équilibre entre les composants actifs et passifs en temps réel.

Enfin, **les boîtiers modulaires et protecteurs** sont adoptés pour faciliter le remplacement rapide des composants de refroidissement endommagés après un événement extrême. Les modules pré-montés contenant des pompes, des échangeurs de chaleur et des vannes de commande peuvent être stockés sur place et déployés sans fabrication étendue.

Considérations réglementaires, économiques et de mise en oeuvre

L'adoption de systèmes de refroidissement innovants est influencée par les cadres réglementaires, les incitations économiques et les pratiques opérationnelles.Les centrales nucléaires sont parmi les installations industrielles les plus réglementées et toute modification des systèmes liés à la sûreté nécessite un examen et une autorisation approfondis. Toutefois, les régulateurs du monde entier reconnaissent de plus en plus la nécessité de s'attaquer aux vulnérabilités climatiques.

Aux États-Unis, le CNRC a élaboré des politiques pour faire face aux événements extérieurs hors de la conception, y compris ceux qui découlent des changements climatiques. La règle de l'atténuation des événements au-delà de la conception-base (MBDBE) exige que tous les réacteurs en exploitation élaborent des stratégies pour maintenir le refroidissement du noyau et du confinement après la perte de grandes zones de l'usine en raison d'événements extrêmes.

Sur le plan économique, le coût de la modernisation des installations existantes par un refroidissement souterrain ou des systèmes hybrides avancés est important, pouvant aller de dizaines à des centaines de millions de dollars par unité. Toutefois, ces investissements doivent être comparés au coût des arrêts forcés, des facteurs de capacité réduits et des pénalités possibles pour écoulement thermique excessif. Une fermeture prolongée pendant une vague de chaleur prolongée ou une inondation peut coûter à une usine plusieurs millions de dollars par semaine en pertes de revenus.

Pour les nouveaux bâtiments, l'intégration de conceptions innovantes de refroidissement dès le départ est beaucoup plus rentable que la modernisation. Les entrepreneurs en génie, en approvisionnement et en construction (EPC) élaborent des conceptions normalisées pour les modules de refroidissement hybrides et les systèmes de rejet de chaleur souterrains, qui peuvent être adaptés aux conditions spécifiques du site. La collaboration entre les exploitants d'usines, les laboratoires nationaux et les fournisseurs d'équipement entraîne une baisse des coûts et la preuve de la fiabilité de ces technologies par le biais de projets de démonstration.

À l'échelle internationale, plusieurs pays sont à l'avant-garde de ces approches, comme par exemple les réacteurs VVER-1200 russes (p. ex., le NPP-II de Leningrad) dotés d'un système de refroidissement hybride à tours à courants mécaniques et naturels. L'organisation européenne des besoins en services publics (EUR) a mis à jour sa norme pour y inclure des critères de résilience au climat.

Applications réelles et perspectives d'avenir

Plusieurs usines existantes de production de déchets de pétrole ont déjà commencé à mettre en place des améliorations de la résilience qui intègrent des éléments des conceptions décrites ci-dessus. Par exemple, le projet South Texas (Unités 1 et 2) a installé un réservoir de refroidissement supplémentaire et amélioré sa structure d'admission pour réduire la vulnérabilité aux sécheresses et aux ouragans.

En prévision, la prochaine génération de petits réacteurs modulaires (RSM) et de réacteurs avancés intégrera probablement le refroidissement passif et hybride comme caractéristiques de conception de cœur. Le module NuScale Power, par exemple, repose sur la circulation naturelle et un grand inventaire d'eau dans une piscine qui ne dépend pas de l'énergie externe pour l'élimination de la chaleur.

La recherche continue sur de nouveaux concepts tels que **pierres de refroidissement adiabatiques** qui n'utilisent pas d'eau, **amélioration du refroidissement à base d'aérosol** et **refroidissement radiatifsky** qui rejette la chaleur au froid de l'espace par les fenêtres atmosphériques.

L'objectif ultime est de créer des systèmes de refroidissement qui non seulement sont robustes aux extrêmes climatiques actuels, mais qui s'adaptent aux conditions futures, ce qui exige un changement d'état d'esprit, qui passe de scénarios d'accident de « base de conception » à un paradigme de planification plus large de « résilience climatique ». Les opérateurs doivent traiter les phénomènes météorologiques extrêmes avec une rigueur semblable à celle des séquences d'accidents internes, y compris des évaluations probabilistes des risques et une planification au-delà de la base de conception.

Les intervenants de l'industrie convergent en sachant que la résilience n'est pas un critère fixe mais un processus continu. Une surveillance continue des tendances climatiques, des essais réguliers de systèmes passifs et des mises à niveau périodiques pour intégrer de nouveaux matériaux et contrôles sera nécessaire. En s'engageant maintenant à des conceptions de refroidissement innovantes, l'industrie nucléaire peut maintenir sa position de pierre angulaire résiliente d'un avenir énergétique durable, protégeant à la fois la sécurité publique et la santé environnementale contre les pires impacts d'un climat en évolution.