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RÉSUMÉ
Le réacteur à neutrons rapides exige certaines caractéristiques spécifiques pour son fluide caloporteur. Le sodium semble un excellent candidat, et cet article en explique les raisons en détail. Il est d'ailleurs très largement utilisé dans les réacteurs expérimentaux et exclusivement dans les prototypes. Les propriétés physico-chimiques du sodium et son utilisation en tant que caloporteur ont une influence très forte sur les particularités et les performances des réacteurs à neutrons rapides.
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Gilles RODRIGUEZ : Ingénieur en génie des procédés - Département d’études des réacteurs du Commissariat à l’Énergie Atomique
INTRODUCTION
Le concept d’un réacteur à neutrons rapides (RNR) nécessite l’emploi d’un fluide caloporteur non modérateur de neutrons ce qui explique de facto l’élimination de l’eau. Les autres critères également nécessaires pour un fluide caloporteur de cette filière sont :
-
une faible section efficace de capture neutronique ;
-
une capacité d’extraire une puissance volumique élevée ;
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un bon comportement aux radiations, une corrosion réduite des circuits ;
-
une nocivité réduite voire nulle ;
-
une grande disponibilité industrielle et un faible coût.
Pour remplir ces critères, le sodium apparaît comme un excellent candidat. Cela explique sa très forte émergence dans la filière rapide lors de la construction dans le monde des réacteurs expérimentaux, et son choix exclusif lors de la construction des réacteurs de démonstration ou des réacteurs prototypes.
D’un point de vue chimique, le sodium est un réducteur très puissant ce qui implique notamment une grande réactivité à l’air et une réaction très vive avec l’eau. Le développement des RNR actuels est donc intimement lié à la technologie spécifique du sodium. Ainsi, les particularités et les concepts technologiques de cette filière sont souvent les conséquences directes des propriétés physico-chimiques du sodium et de son usage comme caloporteur.
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- Version courante de janv. 2019 par Gilles RODRIGUEZ
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4. Contrôle de la qualité du sodium dans un réacteur nucléaire
4.1 Sources de pollution
Sur un réacteur nucléaire, les sources de pollution sont inévitables et de plusieurs natures (encadré 1), les plus caractéristiques sont :
-
la désorption d’oxygène et d’hydrogène depuis les surfaces métalliques neuves introduites dans le réacteur (nouveau composant, nouvel assemblage combustible) ;
-
la décomposition des oxydes métalliques présents en surface par le sodium réducteur ;
-
la diffusion d’hydrogène des générateurs de vapeur vers le sodium secondaire, du fait de la corrosion des tubes côté eau et de la décomposition thermique de l’hydrazine ajoutée en excès à l’eau pour limiter la corrosion ;
-
la production de tritium et d’hydrogène au niveau du cœur par fission ternaire du combustible (239Pu et 235U) et par activation du bore contenu dans les barres de commande sous la forme B4C (carbure de bore) ;
-
la génération de produits d’activation soit par activation du sodium (22Na, 24Na), soit par activation des éléments constitutifs de l’acier, dissolution de ces éléments et redéposition en partie froide (54Mn, 60Co, 58Co, 51Cr) ;
-
la pollution externe des gaines des assemblages par du combustible lors de leur fabrication, qui pourra produire des produits de fission ;
-
la pollution par des produits de fission (134Cs et 137Cs) en cas de rupture de gaine fortuite ou volontaire dans le cas de tests. Possibilité d’une présence de combustible solide (particules) en cas de rupture franche au niveau du combustible ;
-
la pollution par du carbone en cas d’introduction de produits organiques, notamment en situation incidentelle lors de fuite d’huile de pompe par exemple.
1. Au démarrage
• Hydrogène et oxygène dissous
• Impuretés dans le sodium
• Gaz adsorbé sur les structures métalliques
• Qualité du gaz d’inertage
2. Situation opérationnelle
-
Réacteur en fonctionnement
• Hydrogène
• Oxygène
• Corrosion des aciers
• Activation des produits de corrosion
• Produits...
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Contrôle de la qualité du sodium dans un réacteur nucléaire
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PASCAL (P.) - Nouveau traité de chimie minérale. Tome II – Lithium – Sodium - . Édition Masson et Cie.
-
(2) - FOUST (O.J.) - Sodium-NaK engineering handbook Vol 1 - . Ed Gordon and Breach.
-
(3) - PETIOT (P.), SEILER (J.M.) - Physical properties of sodium : a contribution to the estimation of critical coordinates - . High Temperature – High Pressure. Vol. 16, p. 289-293 (1984).
-
(4) - MORITA (K.), FISHER (E.A.) - Thermodynamic properties and equations of State for fast reactors safety analysis - . Nuclear Engineering and Design no 183 (1998).
-
(5) - BORGSTEDT (H.U.), MATHEWS (C.K.) - Applied chemistry of the alkali metals - . Edition Plenum Press (1987).
-
(6) - SITTIG (M.) - Sodium : its manufacture, properties, and uses - . Reinhold Publishing Corporation (1956).
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