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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 :
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une faible section efficace de capture neutronique ;
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une capacité d’extraire une puissance volumique élevée ;
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un bon comportement aux radiations, une corrosion réduite des circuits ;
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une nocivité réduite voire nulle ;
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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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Contrôle de la qualité du sodium dans un réacteur nucléaireArticle inclus dans l'offre
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3. Propriétés chimiques du sodium et ses conséquences
Ce sont les particularités chimiques du sodium qui ont édicté la plupart des axes de recherche établissant des technologies sûres et fiables pour maîtriser ce caloporteur et l’exploiter en toute sécurité. Les principaux axes de recherches se sont donc orientés vers les domaines présentés dans les paragraphes suivants.
3.1 Réaction du sodium à l’air. Feux sodium
Les réactions et la réactivité du sodium au contact de l’air dépendent de nombreux paramètres tels que la température du sodium, son état de dispersion, le taux d’humidité de l’air.
Du sodium solide fraîchement coupé à l’air libre se ternit très rapidement. Sa coloration en surface passe de gris argenté à gris terne. Dans le temps, cette coloration grise peut virer au blanc ou se recouvrir d’un film liquide. Le changement immédiat de teinte du sodium s’explique par une oxydation surfacique passant de la forme Na à la forme Na2O (oxyde de sodium) suivant la réaction :
Dans le temps et en fonction du taux d’humidité de l’air, le sodium peut réagir avec la vapeur d’eau pour former de la soude et de l’hydrogène suivant la réaction :
Par la suite, plusieurs réactions sont en compétition : la poursuite de la réaction sodium/eau, l’hydratation de la soude et la carbonatation de la soude au contact du CO2 de l’air. La température du sodium et surtout le taux d’humidité de l’air influent sur la prépondérance de ces réactions. Dans un air humide (point de rosée au-delà de + 5 ˚C), le sodium continue de réagir avec l’eau et se recouvrira en surface de soude liquide. Des petites bulles apparaîtront en une dizaine de minutes. Dans un air sec (point de rosée en deçà de − 5 ˚C), le sodium se recouvre d’une pellicule solide et blanche de carbonates de sodium (Na2CO3 et NaHCO3).
Lorsque le sodium est liquide, il est susceptible de s’autoenflammer entre 25 et 30 ˚C au-dessus de son point de fusion. Avec une nappe de sodium calme, le sodium ne s’enflamme...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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.
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(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).
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(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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