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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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1. Structure atomique et caractéristiques du sodium
1.1 Structures atomiques
Le sodium est un métal qui fait partie de la famille des alcalins constituée des éléments suivants : lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), césium (Cs) et francium (Fr). Le symbole Na vient de l’allemand natrium. La configuration électronique des alcalins présente un électron singulet sur la dernière couche électronique. La configuration électronique la plus stable se réalise par la perte de cet électron ce qui conduit à la forme cationique (Na+). L’atome de sodium possède onze protons, douze neutrons et onze électrons. C’est le seul isotope naturel ; cependant il possède plusieurs isotopes artificiels 2.1.
HAUT DE PAGE1.2 Caractéristiques générales
À l’état naturel, le sodium occupe le sixième rang quant à son abondance dans la croûte terrestre. Il existe uniquement sous la forme d’ion sodium (Na+) notamment sous forme de sels dans les océans (chlorure de sodium, bromure de sodium, iodure de sodium). Le sodium existe aussi sous forme de nombreux minéraux dont le sel gemme et les carbonates de sodium. Il est nécessaire d’employer des méthodes chimiques ou électrochimiques pour pouvoir obtenir du sodium métallique. Son obtention date de 1807 et sa première production industrielle de 1895.
À température ambiante et sous atmosphère inerte, le sodium se présente sous la forme d’un solide mou possédant un éclat métallique rappelant l’argent. La découpe de ce métal peut se faire manuellement par une lame de couteau (figure 1). Sa résistance à la coupe est semblable au beurre froid. Liquide, l’aspect du sodium pur sous atmosphère inerte est très proche du mercure. Il présente une couleur argentée (effet de miroir) (figure 2),...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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).
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(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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