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Le réacteur nucléaire , comment ça marche......
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Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Un réacteur nucléaire :
Comment ça marche ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Les dessous d’un réacteur
nucléaire
Zebigbos Agent TOME
Doc.
une enquête policière menée par:
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
A. TOME, faites moi un
signalement précis d’une
centrale nucléaire. Avec des
photos pour le dossier !
OK, c’est
parti
Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
… au charbonCentrale de Gardanne (13)…Centrale nucléaire type REP
Ils sont malins ces réacteurs,
certains se font livrer du charbon
en quantité pour se dissimuler
mais on les reconnaît bien avec
leurs grandes tours !
Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Electricité
Production de vapeur
Hé non ! La différence majeure vient du moyen
de produire la chaleur pour faire de la vapeur.
Réacteur nucléaire � Production de chaleur
Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
On utilise une réaction impliquant le noyau de l’atome
(réaction nucléaire) et non plus les électrons (réaction
chimique)
1 eV = 1.6 10-19 Joules Combustion d’1 atome de C : 4 eV
Fission d’1 noyau U235:
200 Millions eV
Facteur ~ 1 million
Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?
νννν nouveaux neutrons (2< ν < 3)
Principe de la réaction en
chaîne: en préserver au moins
1 pour une nouvelle fission
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Mais le charbon, il ne pourrait pas fissionner ?
Non (*). Il faut des noyaux lourds.
Les meilleurs isotopes sont :
-U235, Pu 239, Pu241, U233
Et des moins bons ou parasites :
- U238, Pu 240, Pu242
Seuls isotopes naturels, mais U235 dilué à 0.7% dans l’U238
dans le minerai(*) En fait, tous les noyaux finissent pas se briser si l’énergie du projectile est suffisante, mais on dépense plus d’énergie
que l’on en récupère.Dans un réacteur, rien que pour fissionner les atomes d’U238, les neutrons les plus énergétiques (de
1 MeV à 10 MeV) peuvent au mieux fissionner les atomes d’U238, Pu240 ou Pu242.
Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Cœur d’un Réacteur à Eau Pressurisée (REP)
Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Coupe horizontale d’un REP
320 cm
cuve
Cœur2
1,6
cmAssemblage
Pastille UO2
Cellule
Gaine
Eau
1,2
6 c
m
Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Assemblage combustible (REP)
Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
A. TOME, il paraît qu’une bande organisée de
neutrons sévit dans le réacteur. Je veux tout
savoir: combien ils sont, ce qu’ils font, etc…
J’ai filé tout un groupe. Au départ, ils courent très vite puis
ils ralentissent (sûrement la fatigue?). Certains disparaissent
dans des trous, quelque fois énormes, qui apparaissent sur
le chemin (encore une ruse?). Et finalement, environ 1/3 de
la bande s’attaque aux gros noyaux et les brisent en deux.
Croyez moi, ils ne sont pas très nombreux ces neutrons,
mais ils font la loi, et il faut faire très attention à ce qu’ils
ne se reproduisent pas trop vite sinon ….
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Perte d'énergie par collisions élastiques
(ralentissement, modération).
Histoire (vie) d’un neutron dans un réacteur
Equilibre thermodynamique : Neutrons thermiques (2200 m/s)
Réacteurs à neutrons thermiques
Neutrons de fissionEmoyenne ~ 2 MeV (20000 km/s)
1 MeV
1 keV
1 eV
Energieneutrons
Naissance
Peu de ralentissement :Neutrons rapides
RNR
Réacteurs à neutrons
rapides
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Les interaction neutron-noyaux
0.8U238
0Pu239
0U235
Energie cinétique minimum du neutron
pour provoquer la fission (MeV)
Réaction
à seuil
• Fission
• Réaction (n,2n) : n + A ���� (A-1)* + n’ + n’’
• Réaction (n,p), (n,αααα)Du second ordre pour le contrôle du
réacteur
• Capture radiative (réaction (n,γ))γ))γ))γ))
• Choc sur un noyau et transfert d’énergie
cinétique(*) (Diffusion, Scattering)
���� Ralentissement du neutron
2
1
1max
+
−=∆
A
AE
(*) Perte d’énergie plus
importante sur des noyaux légers
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Et ça change quoi, que les neutrons ralentissent
ou pas ?
Ca change énormément leur façon d’interagir avec
les noyaux rencontrés (lourds ou légers).
Et cette probabilité d’interaction entre les neutrons et les
noyaux se traduit par une variable appelée section efficace,
qui dépend donc de la vitesse (énergie) du neutron
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Une section efficace, c’est la surface de choc
que voit un neutron (*)
Section efficace totale Surface de choc toute
interaction confondue
(*) Le diamètre du noyau étant de l’ordre de 10-12 cm, la surface réelle sera donc de l’ordre de 10-24 cm2. Mais la
surface de choc (ou surface d’interaction) peut plus grande ou plus petite, jusqu’à 1 million de fois, que la surface
réelle du noyau (mécanique quantique).
Surface de choc
pour chaque
interaction séparée
CaptureFissionDiffusion
Section efficace
par réaction
(partielle)
(mais capture+fission+diffusion+…= totale)
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Domaine dit
thermique
Résonances, trappes
Domaine dit
rapide
Section efficace microscopique totale (essentiellement capture)
Voici un exemple pour 1 noyau d’Uranium 238
Plusieurs dizaines de milliers de points (par isotope et par interaction……)
200 000 points pour la section de capture de l’U238 (mesures expérimentales + modèles)
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Avec 2 isotopes de l’Uranium
U235fission
U238 capture
Domaine thermiqueDomaine rapide
Il faudra ensuite tenir compte des proportions de chaque
noyau dans les matériaux
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
U235
U238
Réseau d’uranium contenant 3% d’U235 (enrichi à 3%)
Vu par des neutrons rapides Vu par des neutrons lents (thermiques)
Voilà pourquoi il est intéressant d’avoir des neutrons lents (thermiques).
Sinon, pour des neutrons rapides, il faut avoir une proportion de « bons »
noyaux combustibles plus importante (fort enrichissement).
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Réseau d’uranium contenant 3% d’U235 (enrichi à 3%)
Vu par des neutrons près d’une résonance de l’U238
U238
U235C’est donc ça, les
fameux trous dans
lesquels ¼ des neutrons
que j’ai suivi tombaient
D’où l’intérêt de
les ralentir le plus
vite possible, donc
avec des noyaux
légers
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Eh bien s’ils disparaissent, on devrait en être débarrassés,
alors pourquoi y en a-il toujours autant, voir plus ?
Il faut regarder le nombre de neutrons créés d’une génération de
neutrons à la suivante. C’est le facteur de multiplication effectif
(keff) des neutrons dans le réacteur. Voici un exemple pour un REP :
1 neutron
émis
ralentissement
(trappes)0,75 neutrons
Captures
parasites0.45 neutrons
Fuites hors
réacteur0.4 neutrons
0,4 nouvelles fissions
Augmentation, réacteur surcritique>1
Diminution, réacteur souscritique<1
Stationnaire, réacteur critique1
Population de neutrons (≡≡≡≡puissance du réacteur)keff
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Et pour démarrer ou arrêter le réacteur ?
On joue sur les captures parasites avec des
absorbants pour rendre le réacteur surcritique
ou sous-critique.
Mais keff doit rester proche de 1 pour maitriser
l’augmentation de la population de neutrons
(keff ≤ 1.001 en pratique)
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
• REB : insertion par le bas du cœur
Exemples d’absorbants de contrôle
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
• REP : insertion par le haut du cœur
• REP : On utilise aussi du Bore dans
l’eau de refroidissement (*)
(*) n+B10 � He+Li
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
A B C D E F G H J K L M N P R S T
17 17
16 SD SD 16
15 SA N5 N3 N5 15
14 SC SB N4 SB SC 14
13 N2 SA N4 N2 SA 13
12 SB SA GA GB SA SB 12
11 N5 N4 SC SC SC N5 11
10 SD GB GA N4 SD 10
9 N3 SA SC N5 SC SA N3 9
8 SD N4 GA GB SD 8
7 N5 SC SC SC N4 N5 7
6 SB SA GB GA SA SB 6
5 SA N2 N4 SA N2 5
4 SC SB N4 SB SC 4
3 N5 N3 SA 3
2 SD SD 2
1 N2 Nom du groupe de barres 1
A B C D E F G H J K L M N P R S T
Enrichissement 3.1%
Enrichissement 1.8%
Enrichissement 2.4%
Ex : Chooz B1 (palier N4,
1450 MW) : position des
73 grappes
� Sx : sécurité
� Nx : groupe noir
� Gx : groupe gris
Disposition des grappes de contrôle
Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
A. TOME, j’ai entendu parler d’une filière dans le
monde des réacteurs. Il s’agirait d’un clan
« REP ». Remontez cette filière pour savoir de
quoi il retourne.
OK, c’est
parti
Enquête n° 3 : une filière : un réseau organisé ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
En réalité, il n’y a pas une mais des filières,
chacune constituée de :
- 1 type de combustible
- 1 ralentisseur de neutrons (sauf RNR)
- 1 caloporteur
Enquête n° 3 : une filière : un réseau organisé ?
100 000 combinaisons possibles
1000 études réalisées
100 projets avancés
~30 essais en laboratoire
17 prototypes
7 survivants (Magnox, AGR, REP (PWR), REB (BWR),
CANDU, RNR-Na (SFR), RBMK)
Mais les REP sont effectivement les plus nombreux
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
• Réacteurs à neutrons thermiques
� Le réacteur à eau sous pression (REP)
• U enrichi à ≈ 3 – 4 % (en U235) ou MOX (mélange U+Pu)
• Caloporteur et modérateur: eau liquide à 155 bars (REP)
• 58 REP en France : 900 MWe (Fessenheim) à 1450 MWe (Chooz)
� Le réacteur UNGG (Uranium Naturel-Graphite-Gaz)
• U naturel
• Caloporteur : gaz CO2
• Modérateur : graphite (A=12) (très peu absorbant)
� Autres: les réacteur à Eau Lourde REL (ex: Brennilis)
Les filières de réacteur développées en France
Enquête n° 3 : une filière : un réseau organisé ?
Arrêtés
1 survivant:
Phénix
• Réacteurs à neutrons rapides
� Le RNR-Na (Ex: Rapsodie, Phénix, Superphénix)
• Mélange (U-Pu)O2 dans crayons aciers
• Caloporteur : Sodium
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Récupérer plus d’essence dans ma voiture
que j’en ai mis au départ ? Il paraît qu’ils
peuvent faire ça avec leur combustible
nucléaire. Une arnaque ?
OK, je mène l’enquête
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
U-235
U-236
U-237 Np-237
U-238 Np-238 Pu-238
U-239 Np-239 Pu-23923,5 mn 2,3 d
Pu-240
Pu-241 Am-24114,4 y
Pu-242 Am-242 Cm-242
Pu-243 Am-243 Cm-243
Am-244 Cm-244
Cm-245
n, gamma
Beta
Alpha
β+
Les interactions neutron-noyaux
modifient la nature du combustible
Fission
Fission
Fission
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Exemple d’évolution du combustible (REP)
Durée d’irradiationannées
Les produits de fission, très
radioactifs, chauffent le
réacteur même après l’arrêt
(puissance résiduelle)
Le
combustible
initial s’épuise
Recyclage sous forme de MOX.
La distribution des isotopes du
plutonium (vecteur Pu) change
avec la durée d’irradiation (burn
up, taux de combustion)
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Puisque le combustible s’épuise, il faut le remplacer
régulièrement. Mais pourquoi on ne remplace qu’une partie
des assemblages usés par des assemblages neufs ?
Autant profiter de l’arrêt pour tout changer non ?
Cela s’appelle une gestion fractionnée (batch, lot).
Les assemblages usés finissent de brûler le combustible encore présent en petite quantité grâce à l’excédent de
neutrons fournis par les assemblages neufs
- Assemblages usés au centre � aplatissement de la nappe de puissance (out-in)
- Assemblages neufs au centre � limiter les dommages sur la cuve (in-out)
+100%+71%+60%+50%+33%Réf.Energie extraite
0-71%-60%-50%-33%Réf.Longueur du cycle
1/∞(*)
1/51/41/31/21Fraction du cœur
rechargée
(*) La gestion 1/∞ signifie un rechargement continu, gestion réellement réalisée dans les UNGG, CANDU et HTR
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
• Un plan de chargement REP
900 MW
� 1/4 UO2
� 1/3 MOX
UO2 en 1er cycle
UO2 en 2ème cycle
UO2 en 3ème cycle
UO2 en 4ème cycle
MOX en 1er cycle
MOX en 2ème cycle
MOX en 3ème cycle
R P N M L K J H G F E D C B A
1
2
3 SD
4 N1
5 SC
6 R G2 N2
7 SD SB
8 SA N1 G1 R
9
10
11
12
13
14
15
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
0,6 noyau
de Pu239
gagné
0,6 capturés par
l’U238 (25%)
1 pour une
nouvelle fission
1 noyau
de U235
disparu
0.8 captures
stériles
Rien
1 fission d’U235= 2,4 neutrons
Bilan REP
0.6 combustible consommé
combustible produit
1
0.6 = =
1,2 capturés par
l’U238
1,2 noyau
de Pu239
gagné
1 pour une
nouvelle fission
1 noyau
de Pu239
disparu
0.7 captures
stériles
Rien
1 fission de Pu239 = 2,9 neutrons
Bilan RNR
combustible consommé
combustible produit
1
1.2 = 1.2 =
Ce chiffre est appelé facteur de conversion (de matière fertile en matière fissile).
S’il est > 1 (surgénération) on produit plus de combustible qu’on en utilise (mais
il faut tout de même fournir l’U238). C’est le nombre ν qui est déterminant !
Le plutonium produit n’est pas suffisant pour remplacer l’U235
consommé ?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Les produits de fission ont-ils un impact ?
Ils sont radioactifs donc :
- dangereux pour les organismes (équivalent de dose)
- émetteurs de chaleur (puissance résiduelle court/moyen terme)
En plus ils sont absorbants de neutrons (poisons neutroniques) donc :
- ils augmentent les captures parasites (l’effet négatif est ~ aussi
important que l’usure du combustible lui-même)
- ils perturbent (grandement pour certains PF) le pilotage des
réacteurs à neutrons thermiques
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Un produit de fission particulier: le Xénon 135
0.00001%
Fission
0.00064%135I
TI = 6.53 h135Xe
TX = 9.17 h135Cs
Réaction (n,γγγγ) : 3000 fois plus
absorbant que l’U235136XeTransparent aux neutrons
Fission
135Iéq.
135Xeéq.
136Xe135Cs
Disparition par réaction avec des neutrons
Disparition par radioactivité
Fonctionnement stationnaire
(équilibre)
Fission
136Xe 135Cs
135I �
135Xe �Disparition par réaction avec des neutrons
Disparition par radioactivité
Arrêt du réacteur
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
-100000 -50000 0 50000 100000 150000 200000 250000
temps (secondes)
Em
po
iso
nn
em
en
t X
én
on
(p
cm
)
REP (U5 3%)
RHF (U5 90%)
Pnominale
P=0
10h
8h 40h20h
-L’iode n’est pas un poison
(σcapture ≅0) mais constitue un réservoir de Xénon 135
- Ce réservoir croît avec
l’enrichissement du combustible
Si arrêt brutal du réacteur (AU), l’I235 se déverse rapidement
dans le réservoir de Xe135 qui augmente (rebond, pic Xe):
Les captures parasites augmentent et le redémarrage peut
s’avérer impossible dans l’immédiat dans certains cas:
- Réacteur à combustible très enrichi (RHF)
- REP en fin de cycle (faible réserve de combustible)
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
t = 0
Equilibre
t = εεεε
Perturbation
t = 6 h
Amplification et
1er extremum
t = 10 h
Début d’inversion
t = 18 h
2ème extremum
(inversé)
Flux
Iode
Xénon
Fonctionnement avec barres insérées
- Une simple baisse de puissance suffit à perturber les
équilibre I et Xe et à déséquilibrer la puissance axiale.
- On mesure ce déséquilibre avec l’axial offset :
- Cela impose des diagrammes de pilotage
- Une des causes de l’accident de Tchernobyl
BasHaut
BasHaut
PP
PPA.O.
+
−=
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Il n’y a pas d’effet Xenon dans un RNR (réacteurs à neutrons
thermiques uniquement)
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Alors, les produits de fission: que des défauts ?
Un seul mais primordial avantage, ils émettent (pour certains)
des neutrons avec un retard dû à leur décroissance radioactive
(neutrons retardés). Et c’est uniquement grâce à eux que l’on
peut piloter un réacteur, rapide ou thermique (*) !
15020 µs (REP)1.0001
Augmentation de
puissance en 1 s
Temps de vie d’une génération de
neutrons à l’autre
keff
(*) sinon, voilà ce qui se passe:
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Lors d’une fission, une proportion β sur les ν neutrons
émis est stockée dans un PF (appelé alors précurseur).
Cette fraction de neutrons n’apparaîtra que lors de la
désintégration radioactive du PF, avec un retard de
l’ordre de la dizaine de secondes.
< 1 mais ≈ 120 µs (REP)1.0001*(1-β) prompts
<< 1~10 s (REP)1.0001*β retardé
+0.2%~10 sTotal : 1.0001
Augmentation de
puissance en 1 s
Temps d’apparition du
nouveau neutron
keff
Mais alors, si 1.0001*(1-β) est >1 , je crains le pire !?
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
C’est l’accident de surcriticité prompte: le temps de génération
est celui des neutrons prompts : c’est sans espoir (Tchernobyl).
Il faut absolument que (keff –1) < β (∗)
0.21%0.65%β
< 1.0021< 1.0065keff
Pu239U235
Les réacteurs fonctionnant avec du plutonium sont
donc un peu plus « nerveux ».
(*) par précaution β /2 dans les réacteurs expérimentaux et beaucoup moins dans les réacteurs
de puissance, mais pour d’autres raisons
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 4 : le combustible nucléaire
Bien sûr, dans une bombe, les neutrons doivent
se multiplier le plus vite possible, mais c’est loin
de suffire ! On en reparlera.
Surcriticité prompte, facteur de multiplication des
neutrons important : une bombe atomique ?
Je m’en doutais !
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
« Un réacteur c’est comme un plat de spaghetti,
tu tires sur un et tout le plat vient avec ».
C’est un code ?
1 code ? Je dirais des codes !
Contre-réactions, coefficients de
température, coefficients de
réactivité,… je m’embrouille.
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs
Variation de réactivité
Variation de puissance
Variation de température
Modification des
caractéristiques nucléaires
Boucle des contre-réactions thermiquesPas de panique :
le but est juste de
savoir comment
évolue le réacteur
en cas de
perturbation
autour de son état
d’équilibre
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs
On définit un
coefficient de
température
global
Tk
k ∂∂=1α
k : facteur de multiplication effectif
T : température
α : en pcm/°C
Critère de sûreté incontournable:
αααα < 0
par conception
Puis en fonction du réacteur, on peut décomposer α en différents
termes (coefficient de température du combustible, du modérateur,
des structures, du caloporteur,…)
α = αcomb + αmod + αstru + αcalo + …
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs
Coefficient de température du combustible (effet Doppler)
Une augmentation de la température induit une augmentation des captures
dans l’U238 (*)
� Effet instantané et stabilisant
� 3 fois plus important dans un REP que dans un RNR
� D’autant plus faible que le combustible est enrichi (moins d’U238)
(*) � agitation thermique des noyaux ⇒Modification de la vitesse apparente du
neutron vers le noyau cible ⇒Aplatissement et élargissement de la section efficace résonante
C’est le premier effet stabilisant de tous les réacteurs
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs
Coefficient de température du caloporteur
Une augmentation de la température induit une diminution de la concentration
des noyaux par dilatation:
� Diminution des captures parasites (déstabilisant)
� Augmentation des fuites vers l’extérieur (stabilisant)
� Diminution du ralentissement
⇒ Stabilisant dans un REP ( captures(U238) ����)
⇒ Déstabilisant dans un RNR à cause du combustible plutonium (*)
-La vidange de l’eau d’un REP arrête la réaction en chaîne,
-La vidange du sodium d’un RNR l’augmente (d’où des
cœurs de forme « galette » pour favoriser les fuites)
(*) Lorsque l’énergie du neutron augmente, les isotopes fissionent mieux: vrai pour U235, Pu239 mais surtout pour Pu240 et
Pu242. Ce meilleur rendement augmente donc keff dans un RNR à combustible purement plutonium. Dans un REP, le léger
meilleur rendement sur U235 est largement compensé négativement par l’augmentation des captures parasites dans l’U238, et
keff diminue globalement. Dans un REP avec du MOX, c’est une situation intermédiaire.
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »
Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs
(*) La teneur en Pu correspond à la fraction PuO2/(PuO2+UO2)
Coefficient de température du modérateur
� Dans un REP: modérateur = caloporteur
� Dans un HTR, RBMK, UNGG: modérateur = graphite
Le coefficient de température de l’eau est aussi une limite:
-à la concentration en Bore dans un REP
-à la teneur (*) en Pu du MOX dans les REP (<12%)
Coefficient de température du caloporteur (suite)
Effet
variable
Tchernobyl (RBMK) avait un αmod >0 à basse puissance
Coefficient de température des structures� Stabilisant, plus ou moins efficace selon les réacteurs
� Très stabilisant dans les RNR en cas d’accidents (transitoires) lents
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Principe d’une bombe: fissionner le plus de noyaux possible
dans le moins de temps possible. Il faut:
- keff élevé (>2) d’où l’utilisation de Pu239 plutôt que U235
- Empecher la matière de se dilater sous l’effet de la chaleur
(minimiser les fuites de neutrons)
- Eviter les contre réactions (Doppler, …)
Dans un réacteur, les coefficients de contre-réactions
limitent la multipication trop rapide des neutrons. Par
contre, le cœur peut fondre et il existe des risques
d’explosions vapeur, hydrogène (Zr+H2O� H2), …
Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs
Tous ces coefficients empêchent donc le
réacteur d’exploser comme une bombe?
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Bon d’accord, ils ne peuvent pas exploser,
mais sont-ils sûrs ?
Le risque zéro n’existe mais on fait tout pour le prévenir :
- redondance des moyens d’intervention
- limitation des conséquences si l’impossible a lieu (mitigation)
- concepts avec sûreté passive (sans actions extérieures)
Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs
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Enquête n° 6 : la sûreté des réacteurs
� Maitriser le facteur de multiplication effectif (maîtrise de la réactivité),
et pouvoir arrêter le réacteur en toutes circonstances
� Evacuer la chaleur en toutes circonstances (nominal mais aussi
après arrêt)
� Confiner les matières nucléaires
Les 3 points essentiels de la sûreté
Un concept de réacteur ne sera valide qu’après avoir inventorié
et étudié toutes les situations accidentelles et leurs conséquences
(transitoires)
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Pour les RNR-sodium
- Accident de fusion du coeur
- Bouchage Totale Instantané d’assemblage
- Retrait d’une barre de contrôle
- Perte de débit primaire ou secondaire
- …
J’ai trouvé :
Pour les REP
- Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP)
- Rupture de tuyauterie Vapeur (RTV)
- Ejection d’une grappe de contrôle (RIA)
- Injection d’eau froide
- …
Enquête n° 6 : la sûreté des réacteurs
Et pour la sûreté passive ?
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La sûreté passive s’appuie sur les lois physiques naturelles, tels
que les coefficients de contre-réactions que l’on peut optimiser
lors de la conception. De plus on peut citer:
• HTR : évacuation par rayonnement (mais Pcoeur < 6,5 W/cm3)
• Evacuation par convection naturelle (RNR, REB, REP…)
Etudes de concepts avec évacuation passive de Présiduelle
• Accelerator Driven System (ADS) � Surcriticité prompte impossible
Etudes de concepts sous-critique
• Reflecteur (haut et bas) de sodium vidangeable dans RNR (plenum)
• Absorbants en suspension au dessus du cœur (capillarité, flottabilité,…)
• …
Idées diverses
Enquête n° 6 : la sûreté des réacteurs
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FIN
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BACK UPBACK UP
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• Facteur de conversion FC
� Nombre de noyaux fissiles créés par noyaux fissiles consommés (fission ou capture)
1,20,60,90,8FC
RNR avec couverturesREPCANDUUNGGRéacteur
•Taux de combustion (« burn up »)
� Quantité d’énergie produite rapportée à la masse initiale de noyaux lourds
• Unités : MegaWatt-jours/tonne de noyaux lourds initiaux (non fissiles inclus:U238,…)
surgénération
15 %4 %0,7 %0,7 %Teneur initiale en noyaux fissiles
100.00040.00010.0004.000Burn up de rejet (MWj/t)
RNRREPCANDUUNGGRéacteur
Mesurer les performances d’un combustible
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Cycle du combustible Thorium
• Surgénération avec Th232/U233 au lieu de U238/Pu239
Les spécificités du cycle thorium
– L’U233, un « excellent » noyau fissile : surgénération possible en réacteur
à neutrons thermiques (Shipping port) !
– Grande abondance du Th (ressource = plusieurs milliers d’années)
– Le problème de l’initialisation du cycle : recours à un autre noyau fissile
(U235, Pu239) mélangé à Th232
– Le problème des descendants (lointains) de l’U232 : Tl208, Bi212
2,2872,1082,068ηηηη
2,492,872,42<ν>
5791011681σa
531742582σf
260210650β (pcm)
U233Pu239U235Noyau
Des projets à l’étude
– Revient à la mode dans les HTR (cycle U/Th)
– Etudes prospectives : réacteurs à sels fondus
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Utilisation du MOX en REP
En France 20 REP sont chargés à hauteur de 30% en combustible MOX.(proportion d’assemblages MOX limitée a 30% pour minimiser les modifications à apporter au réacteur).
Nécessité de zoner l’assemblage MOX pour limiter le pic de puissance apparaissant à l’interface entre UOX et MOX
Diminution de l’efficacité des absorbants de contrôle –> chargement spécifique
Limite de la teneur PuO2/(PuO2+UO2) à cause de la vidange eau
Bilan du mono-recyclage du Pu en MOX:
• Economie 10% d’U naturel
• Accroissement de l’inventaire Pu inférieur de 30%
• Augmentation de l’inventaire d’Actinides Mineurs de 35%
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Les Actinides Mineurs
Même problème que le Pu concernant l’effet de vidange.
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Evolution des noyaux lourds: bilan dans un REP
35 000 MWj/t
Burn up
~3 ans
Durée irradiation
33,3 %1000 kg U
Nb de cyclesTeneur U5/UCombustible UO2
40%
60% des fissions
U238 : 967 kg
U235 : 33 kg
initial
Fission: 14 kg (rapide ou via formation de Pu239)
Transmutation en actinides mineurs: 1,5 kg
Intact: 943 kg
Transmutation en Pu (~70% fissile): 8,5 kg Recyclage ?
Déchets
Fission: 21 kg
Transmutation en U236: 4 kg
Intact: 8 kg Enrichissement 0,8% mais impuretés
Poison neutronique
final
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Evolution des noyaux lourds: bilan dans un RNR
Combustible UO2-PuO2 (U5/U = 0,2% ; PuO2/(PuO2+UO2) = 15%)
Facteur de conversion :
1100 / 900 = 1.2
Avec un facteur de conversion de 1.2, il faut environ 30 ans pour produire la quantité de combustible nécessaire à démarrer un autre réacteur identique
(et 12 ans si FC=1.4)
En raisonnant en « Pu239 équivalent » :
Bilan total : + 200 kgCœur :
-900 + 770
= -130 kg
+60 kg
+120 kg
+ 1
50 k
g
co
uve
rtu
res
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