Simulations pour des centrales plus efficaces

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Simulations pour des centrales plus efficaces

Pour produire de l’électricité, le plus souvent, on chauffe de l’eau et on la transforme en vapeur. Les bulles de vapeur qui se forment alors dans l’eau jouent un rôle décisif. Plus le maillage des bulles le long d’une paroi chauffée est serré, plus la chaleur est transmise à l’eau de manière efficace dès que les bulles se détachent de la paroi. Toutefois, il ne faut pas qu’une couche continue de bulles se forme contre cette paroi, car, en elle-même, la vapeur n’est pas un bon conducteur de chaleur. De plus, elle pourrait surchauffer la paroi. Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI ont réussi à simuler à l’ordinateur le comportement des bulles de vapeur et à rendre ce dernier plus prévisible.

La bulle de vapeur qui s’affiche sur l’écran de Yohei Sato apparaît de manière beaucoup plus détaillée que ce que nous avons l’habitude d’en voir. Il s’agit d’une simulation informatique d’une bulle qui colle à une paroi chauffée et est entourée d’eau. Si l’on amène lentement l’eau à ébullition, cette bulle grossit et adopte successivement des formes qui rappellent celle d’un praliné, d’une poignée de tampon encreur, puis d’un ballon. Avant de finir par se détacher de la paroi et de s’élever en oscillant dans le liquide imaginaire.
Yohei Sato, chercheur au PSI, et Bojan Niceno, le responsable de son groupe de recherche, ont investi des heures de réflexions dans cette séquence visuelle simple en apparence. Les formules mathématiques qui décrivent la croissance des bulles sont connues depuis longtemps, explique Yohei Sato. Mais nous avons dû les couler dans une forme que l’ordinateur soit capable de traiter. Et même si cela peut paraître surprenant: la formation de bulles lorsqu’on fait bouillir de l’eau a beau être banale et quotidienne, personne à ce jour n’avait été capable de reproduire les lois physiques qui la gouvernent avec autant d’exactitude.
Pour que l’eau bouille correctement
Les scientifiques du PSI ne se penchent pas sur les bulles de vapeur pour s’amuser. 85% de la production d’électricité dans le monde se fait par le biais d’eau que l’on chauffe et que l’on transforme en vapeur. Pour chauffer cette eau, on brûle des carburants fossiles comme le charbon, le gaz et le pétrole. Dans les centrales nucléaires, ce sont les crayons combustibles qui assument cette fonction. La vapeur d’eau actionne ensuite un générateur qui produit l’électricité. Dans les centrales, les bulles de vapeur contribuent de manière décisive à ce que l’eau bouille de manière efficace.
La chaleur est mieux transmise à l’eau lorsque les bulles couvrent la paroi en formant un maillage serré. En effet, les bulles de vapeur grossissent en incorporant l’eau qui s’évapore. A un moment donné, elles se détachent de la paroi et emportent avec elles la chaleur qui se trouve dans les couches d’eau proches de la paroi. Ces conditions – les spécialistes parlent d’ébullition nucléée – ne sont réunies que lorsque la température au niveau de la paroi est légèrement supérieure au point d’ébullition de l’eau. En effet, si la température continue de monter, le rythme de formation des bulles s’accélère, au point qu’il se forme une mince couche continue de vapeur contre la paroi chaude. Or comme la vapeur conduit mal la chaleur, cette même chaleur n’atteint plus l’eau aussi rapidement. Conséquence de ce phénomène appelé ébullition pelliculaire: la paroi sèche, voire brûle dans le pire des cas.
Puissance de calcul informatique pour visualiser la bulle
Trouver la bonne température est donc un exercice délicat: il s’agit de faire en sorte que la paroi se couvrir de bulles aussi vite que possible, mais sans arriver à l’ébullition pelliculaire. L’objectif des chercheurs est donc de réussir à calculer la croissance des bulles et leurs mouvements dans le liquide aussi précisément que possible à l’ordinateur. Cela leur permettrait aussi de déduire à tout moment la température au niveau de la paroi. Une méthode de calcul qui permettrait d’obtenir ces résultats pourrait être utilisée pour construire des centrales encore plus sûres et plus efficaces, assure Bojan Niceno.
Yohei Sato et Bojan Niceno se sont attelés méticuleusement à la tâche quand ils ont commencé à développer le programme informatique PSI-BOIL: ce dernier subdivise une bulle et son environnement en dés minuscules, dont les arêtes mesurent moins de quelques millièmes de millimètres. Pour chaque petit dé, on détermine la température, la pression, l’état de la matière (liquide ou gazeux) et la vitesse du courant de vapeur et du courant d’eau à proximité de la bulle. La simulation, même d’une seule bulle, ne se fait donc pas en deux coups de cuillères à pot. Avec ses quatre c’urs de processeur, le PC de Yohei Sato aurait eu besoin de deux ans pour réaliser ces calculs, en tournant à plein régime. Les chercheurs recourent donc à Merlin, un ordinateur du PSI constitué en réalité d’un réseau de plusieurs centaines de c’urs de processeur. Mais même avec la pleine puissance de calcul de 128 c’urs de processeurs de Merlin, la simulation prend encore trois semaines complètes. Le processus qu’elle reconstitue, lui, ne dure pas plus de cinq secondes.
Une représentation correcte de la réalité
Avec PSI-BOIL, les chercheurs ont réussi entre-temps à améliorer la prévisibilité de l’ébullition nucléée. Dans les simulations, les bulles sont passées par les mêmes phases que celles que l’on avait enregistrées auparavant lors d’expériences réelles avec des caméras vidéo et infrarouge. Plus important encore: les simulations ont fourni la bonne valeur de température à chaque point de la paroi sous la bulle. Cela fait plusieurs décennies que des scientifiques mènent des recherches pour générer des simulations de l’ébullition nucléée aussi précises, se réjouit Yohei Sato. En concentrant notre attention sur la couche d’eau décisive sous la bulle, ainsi que sur l’interface entre la bulle et l’eau, nous avons réussi à franchir une étape importante, ajoute Bojan Niceno.
Ce succès a été obtenu de haute lutte: huit personnes/années sont impliquées dans des projets de recherche et des coopérations avec l’industrie. Mais les scientifiques ne sont pas encore arrivés au but: Jusqu’ici, nous sommes seulement capables d’appréhender les processus dans l’eau au repos, rappelle Bojan Niceno. Or dans la plupart des applications techniques, l’eau circule le long de la paroi. Cela représente une complexité supplémentaire. Nous sommes en train de l’intégrer dans notre programme informatique.
Texte: Institut Paul Scherrer/Leonid Leiva


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