Optimisation du pilotage des réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP) dans un réseau électrique dans le contexte de la transition énergétique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2024

Optimization of the control of pressurized water nuclear reactors (PWR) in an electric grid in the context of energy transition

Optimisation du pilotage des réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP) dans un réseau électrique dans le contexte de la transition énergétique

Résumé

The revision of the multi-annual energy programme launched in January 2019 sets out the French government's priorities for action in the energy field to achieve carbon neutrality by 2050. Diversifying France's electricity generation mix is one of the proposals put forward in this document. While there is a consensus in all the energy scenarios that fossil fuel power plants should not be used, there is uncertainty about the representative share of so-called « renewable » resources and nuclear power in the prospective generation mix. To date, the massive deployment of solar and wind power plants is expected to be accompanied by the closure of certain nuclear reactors. In its forecasts, the electricity distribution body RTE has analysed the challenges associated with this energy transition, both from a technical point of view and in terms of climatic constraints, which have become increasingly coercive in terms of ensuring the optimal operation of electricity production facilities (warmer cooling sources, higher low-water levels in rivers). In particular, given the intermittent nature of solar and wind generation on an hourly basis, these studies highlight the need to prepare nuclear reactors to operate for longer periods in grid load-following mode. Improving the flexibility of nuclear reactors is therefore a major challenge for the French energy transition. In this context, this thesis proposes to study ways of optimising the control of nuclear reactors operating jointly in load-following mode, for various power transients that are prospective of the most restrictive historical conditions currently observed and likely to increase in number in the future. This optimisation work is based on minimising the volumes of liquid effluent generated during power variations and on maintaining the safety margins relating to the axial power stability of the cores. This work is structured around a modelling component, essentially relating to reactor physics, and an optimisation component relating to genetic algorithms. Firstly, we present the development of a new fictitious control operator model representative of G mode capable of ensuring better control of the power offset axial drift compared with versions of simulators prior to this thesis. Secondly, we propose a system loop and 0D cooling circuit model for a nuclear power plant, designed to assess the impact of degraded environmental conditions on reactor performance and control. We will then present a tri-objective optimisation work for the coupled operation of two nuclear reactors thanks to the development of an evolutionary algorithm based on the decomposition of the objective space with adaptation of the on-line weights, a high-performance method for function benchmarks generating complex Pareto fronts, but which has so far been little applied to concrete engineering problems. Finally, we will describe the possible optimisation levers for producing a « double window » type of load monitoring, typical of the adjustments required when solar production peaks. This last work led to the development of an innovative bi-objective algorithm with an adaptation of the mutation operator thanks to a decomposition of the objective function in the basis of Walsh functions.
La révision de la programmation pluriannuelle de l'énergie engagée en janvier 2019 fixe les priorités d'actions de l'État dans le domaine de l'énergie pour atteindre la neutralité carbone à l'horizon 2050. La diversification du mix de production électrique français est l'une des propositions émises par ce texte. Si le non recours à des centrales à combustibles fossiles fait consensus dans tous les scénarios énergétiques envisagés, il existe une incertitude sur la part représentative des ressources dites « renouvelables » et du nucléaire dans les mix prospectifs de production. À ce jour, il est prévu d'accompagner le déploiement massif de centrales solaires et éoliennes par la fermeture de certains réacteurs nucléaires du parc. L'organisme de distribution d'électricité RTE a analysé dans ses bilans prévisonnels les défis liés à cette transition énergétique, tant sur le plan technique que sur les contraintes climatiques devenues de plus en plus coercitives pour assurer un fonctionnement optimal des installations de production d'électricité (réchauffement des sources de refroidissement, étiages des cours d'eau plus marqués). En particulier, face au caractère intermittent de la production solaire et éolienne à l'échelle horaire, ces études soulignent le besoin de préparer les réacteurs nucléaires à multiplier les périodes de fonctionnement en mode de suivi de la charge du réseau. Améliorer la flexibilité des réacteurs nucléaires est donc un enjeu majeur dans le cadre de la transition énergétique française. Dans ce contexte, cette thèse propose d'étudier des pistes d'optimisations en matière de pilotage de réacteurs nucléaires fonctionnant conjointement en mode suivi de charge, pour divers transitoires de puissance prospectifs des historiques les plus contraignants actuellement observés et amenés à se multiplier à l'avenir. Ces travaux d'optimisation se basent sur la minimisation des volumes d'effluents liquides générés lors des variations de puissance et sur le maintien des marges de sûreté concernant la stabilité en puissance axiale des coeurs. Ce travail s'articule autour d'un volet de modélisations ayant trait essentiellement à la physique des réacteurs, et d'un volet d'optimisation relatif à l'algorithmie génétique. Dans un premier temps, nous présentons le développement d'un nouveau modèle d'opérateur de pilotage fictif représentatif du mode G capable d'assurer une meilleure maîtrise de la dérive de l'axial offset de puissance par rapport à des versions de simulateurs antérieurs à cette thèse. Dans un second temps, nous proposons un modèle de boucle système et de circuit de refroidissement 0D d'une centrale nucléaire conçus dans l'objectif d'évaluer l'impact de conditions environnementales dégradées sur le rendement et le pilotage du réacteur. Nous nous attacherons ensuite à présenter un travail d'optimisation tri-objectif pour le fonctionnement couplé de deux réacteurs nucléaires grâce au développement d'un algorithme évolutionnaire basé sur la décompositon de l'espace objectif avec adaptation des poids en ligne, méthode à hautes perfomances pour des benchmark de fonctions générant des fronts de Pareto complexes mais jusqu'ici peu appliquée à des problèmes d'ingénierie concrets. Enfin, nous décrirons les leviers d'optimisation possibles pour la réalisation d'un suivi de charge de type "double créneau" typique des ajustements nécessaires au passage du pic de production solaire. Ce dernier travail a permis d'initier l'élaboration d'un algorithme bi-objectif innovant pourvu d'une adaptation de l'opérateur de mutation grâce à une décomposition de la fonction objectif dans la base des fonctions de Walsh.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04547402 , version 1 (15-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04547402 , version 1

Citer

Baptiste Gasse. Optimisation du pilotage des réacteurs nucléaires à eau sous pression (REP) dans un réseau électrique dans le contexte de la transition énergétique. Energie électrique. Université Paris-Saclay, 2024. Français. ⟨NNT : 2024UPASP004⟩. ⟨tel-04547402⟩
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