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Mener une campagne à deux volets contre le changement climatique
Avec MIGHTR, AVEC Le doctorant W. Robb Stewart vise à accélérer la construction de nouvelles centrales nucléaires pour aider à décarboner l’économie.
Si l’énergie nucléaire doit jouer un rôle central dans la garantie d’un avenir sobre en carbone, les chercheurs doivent non seulement développer une nouvelle génération de centrales nucléaires puissantes et rentables, mais fournir aux parties prenantes les outils nécessaires pour faire des choix d’investissement intelligents parmi ces réacteurs avancés. . W. Robb « Robbie » Stewart, doctorant au département des sciences et de l’ingénierie nucléaires (NSE) du MIT, travaille sur ces deux problèmes.
“Les coûts de construction et d’exploitation limitent la capacité de l’industrie nucléaire à se développer à ce moment critique, et si nous ne pouvons pas réduire ces coûts, le nucléaire n’a aucune chance d’être un acteur important dans la décarbonisation de l’économie”, a déclaré Stewart. « J’ai donc décidé d’axer mes recherches de thèse sur un outil d’estimation qui quantifie les coûts de construction d’une centrale nucléaire, et qui pourrait être utile pour évaluer différentes conceptions de réacteurs », dit-il.
Cette méthode de modélisation des coûts de précision contribue à éclairer un projet ambitieux que Stewart poursuit parallèlement à son travail de thèse : concevoir et construire un réacteur nucléaire à gaz à haute température modulaire et intégré, appelé MIGHTR, avec Enrique Velez-Lopez SM ’20. « Toute notre thèse… est que nous devons simplifier les éléments de construction civile du projet », explique Stewart
Passionné par la lutte contre le changement climatique, W. Robb Stewart travaille à la construction d’un réacteur nucléaire à gaz à haute température modulaire, intégré, appelé MIGHTR. « Je voulais pouvoir revenir sur le moment de la retraite et dire que j’ai consacré mon temps d’ingénierie et mes connaissances à ce gros problème », dit-il. Crédit : Gretchen Ertl
Des infrastructures coûteuses
La recherche doctorale de Stewart et son propre développement de réacteurs sont motivés dans une large mesure par une préoccupation centrale : « Gérer la construction de centrales nucléaires massives est extrêmement difficile et trop susceptible d’entraîner des dépassements de coûts », dit-il. « C’est parce que nous ne faisons pas assez de ce genre de construction pour être bons dans ce domaine. » Aux États-Unis, le principal défi du lancement de nouvelles usines commerciales n’est pas le retard réglementaire ou la résistance du public, mais des pratiques de construction inefficaces, estime-t-il.
Stewart considère que surmonter les coûts de construction intimidants du nucléaire est primordial dans la campagne visant à mettre en service davantage de centrales dans un proche avenir. Son outil de modélisation rendra cela plus probable grâce à des estimations précises des risques de construction et des dépenses associées – le tout basé sur les données réelles du département américain de l’Énergie sur les coûts de milliers d’articles nécessaires dans les réacteurs commerciaux, des récipients sous pression et du combustible aux bâtiments de confinement et à l’instrumentation.
Cette méthode rigoureuse de quantification des coûts vise à ouvrir la voie à la prochaine génération de réacteurs nucléaires, tels que les petits réacteurs nucléaires modulaires (SMR). Ce type de réacteur nucléaire avancé peut être fabriqué sur une chaîne de montage économiquement souhaitable et s’adapter à des sites où de plus grandes installations ne le feraient pas. Certains SMR comme le MIGHTR pourront également fonctionner à des températures plus élevées. Cet attribut les rend particulièrement adaptés pour alimenter les processus industriels actuellement desservis par les centrales à combustibles fossiles émettant des gaz à effet de serre.
Les réacteurs nucléaires commerciaux (généralement à eau légère) fournissent près d’un tiers de l’électricité sans carbone dans le monde. Mais ils doivent fonctionner à des températures qui ne dépassent généralement pas 300 degrés Celsius, ce qui signifie qu’ils ne peuvent pas générer la chaleur nécessaire à la fabrication pétrochimique et à d’autres besoins industriels énergivores. En revanche, les réacteurs de nouvelle génération tels que MIGHTR pourraient régler le cadran de température jusqu’à 700 ° C et au-delà. « La chaleur des procédés industriels représente 10 % des émissions de gaz à effet de serre, donc un critère important pour sélectionner un réacteur avancé serait de savoir s’il peut répondre aux besoins des industries de décarbonisation », explique Stewart.
Son outil de modélisation pourrait aider à déterminer quelles conceptions nucléaires avancées offrent le meilleur pari d’investissement. Par exemple, certains SMR peuvent nécessiter 30 millions d’heures de travail pour être construits, et d’autres 8 millions. Certaines installations peuvent comporter des incertitudes technologiques qui les rendent trop risquées, quelle que soit la quantité d’électricité ou de chaleur qu’elles prétendent fournir. Les investisseurs, les services publics et les décideurs doivent avoir l’assurance que leur décision atteint l’équilibre optimal entre les caractéristiques et les applications souhaitées du réacteur avec le risque et le prix du réacteur. « Tous les SMR ne sont pas aussi compétitifs en termes de coûts, et l’évaluation peut aider à répartir les ressources beaucoup plus efficacement », dit-il.
Modélisation des nouvelles technologies
Stewart, qui a grandi à Dallas, au Texas, s’est très tôt tourné vers les technologies de pointe capables de servir la société. «Je savais que je voulais être ingénieur dès mon plus jeune âge et j’adorais lire la science de la culture pop pour essayer de comprendre ce que pourrait être la prochaine génération de voitures ou de moteurs à réaction», se souvient-il.
Bien que tenté par les études aérospatiales, il a trouvé sa voie dans le génie mécanique en tant qu’étudiant de premier cycle puis de maîtrise à l’Université du Texas à Austin. Son mémoire de maîtrise sur le transfert de chaleur dans les turbines à gaz l’a conduit directement à travailler avec GE Global Research. Après quatre années passées dans des projets visant à améliorer l’efficacité du refroidissement à l’intérieur des turbines à gaz, puis à modéliser et prédire la durée de vie des moteurs à réaction commerciaux, il est devenu agité.
Au fil des ans, il avait ressenti une préoccupation croissante face aux dangers du changement climatique et un désir croissant de former son expertise en ingénierie sur le défi. « Je voulais être à la pointe d’une nouvelle technologie, et je voulais pouvoir revenir sur le moment de la retraite et dire que j’ai consacré mon temps d’ingénierie et mes connaissances à ce gros problème », explique Stewart. Il a donc décidé de quitter sa carrière d’ingénieur en mécanique et d’apprendre une nouvelle discipline au MIT. Il a rapidement trouvé un mentor en Koroush Shirvan, le professeur de développement de carrière John Clark Hardwick (1986) en SNG. « Il semblait résoudre les problèmes auxquels l’industrie nucléaire était confrontée, des coûts d’exploitation et d’investissement aux nouveaux combustibles et aux conceptions de sécurité améliorées », explique Stewart. “Cela a résonné en moi.”
MIGHTR s’est inspiré du genre de perspective multidisciplinaire défendue par Shirvan et d’autres membres du département. D’autres conceptions de réacteurs à gaz à haute température envisagent de loger des composants dans une structure de 60 mètres de haut. Stewart et son partenaire pensaient qu’il serait peut-être plus simple de poser toute la structure à plat, y compris le cœur du réacteur et le générateur de vapeur. La hauteur du bâtiment entraîne une grande complexité et des coûts de construction plus élevés. La conception plate tire parti de techniques de construction rentables nouvelles pour le nucléaire, telles que les panneaux de béton préfabriqués
« Nous avons présenté notre idée à une réunion du corps professoral, où ils lui ont jeté des pierres parce qu’ils voulaient la preuve que nous pouvions réduire la taille du bâtiment cinq fois moins que les autres HTR sans affecter la sécurité », se souvient Stewart. “C’était la naissance de MIGHTR.”
Stewart et Velez-Lopez ont depuis lancé une startup, Boston Atomics, pour donner vie à MIGHTR. La conception de l’équipe a déposé un brevet en octobre dernier et a reçu une subvention de 5 millions de dollars en décembre du programme Advanced Reactor Design du département américain de l’Énergie (DOE). Le MIT aide à faire avancer cette entreprise, Shirvan supervisant le projet, qui comprend des partenaires d’autres universités.
La création par Stewart de l’outil de modélisation des coûts des centrales nucléaires, parrainé par la société énergétique finlandaise Fortum, et la co-invention de la conception MIGHTR ont déjà été reconnues : ses recherches sont destinées à être publiées dans plusieurs revues, et l’année dernière, il a reçu le prix Manson Benedict 2020 de NSE. Prix pour l’excellence académique et la promesse professionnelle.
Aujourd’hui, alors même qu’il poursuit à la fois MIGHTR et ses recherches sur la modélisation des coûts, Stewart a élargi son portefeuille. Il assiste Richard Lester, vice-recteur associé et professeur de l’industrie sidérurgique japonaise, dans le cadre du programme Climate Grand Challenges du MIT. « L’objectif est d’identifier une poignée d’idées de recherche puissantes qui peuvent être de grands moteurs dans la résolution du problème du changement climatique, non seulement grâce à l’atténuation des émissions de carbone, mais en favorisant l’adaptation et la résilience des villes et en réduisant les impacts sur les personnes dans les zones confrontées à des conditions météorologiques extrêmes. conditions, telles que les incendies et les ouragans », explique Stewart.
Après avoir obtenu son doctorat l’année prochaine, Stewart prévoit de se consacrer à Boston Atomics et MIGHTR. Il espère également que son outil de modélisation, gratuit pour le public, aidera à orienter les dollars de recherche et de développement vers les technologies nucléaires à fort potentiel de réduction des coûts, et « enthousiasmera les gens pour les nouvelles conceptions de réacteurs », dit-il.
