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Auteur(s)
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Jean-Louis NIGON : Ingénieur de l’École Polytechnique - COGEMA – Directeur Adjoint Recherche et Développement - Professeur associé au Conservatoire National des Arts et Métiers
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Gérard LE BASTARD : Ingénieur de l’École Nationale Supérieure de Mécanique et d’Aérotechnique de Poitiers - COGEMA – Directeur de la Business Unit Recyclage - MELOX – Président Directeur Général
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Lire l’articleINTRODUCTION
Le premier réacteur ayant produit de l’électricité (en 1951) est EBR-1, réacteur à neutrons rapides américain (Idaho).
La caractéristique la plus attrayante des réacteurs à neutrons rapides, du point de vue prospectif des ressources en énergie, est leur capacité à régénérer, voire surgénérer, la matière fissile, et ainsi, à utiliser tout l’uranium extrait de la mine (via la conversion de l’uranium 238 en plutonium).
Le spectre d’énergie des neutrons dans le cœur de tels réacteurs doit être « rapide », ce qui interdit l’usage de corps légers contenant de l’hydrogène ou du carbone. Les réacteurs actuels sont refroidis par des métaux liquides, généralement du sodium. Il en résulte pour le combustible des contraintes fonctionnelles et technologiques qui rejaillissent sur sa conception et sa fabrication.
On est loin de la maturité industrielle des réacteurs à neutrons rapides (RNR), leurs caractéristiques et leurs combustibles sont appelés à évoluer ; la prise en compte d’objectifs liés à la réduction de l’inventaire des actinides peut en outre conduire à la définition de produits très nouveaux.
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1. Caractéristiques fonctionnelles du combustible
1.1 Situation dans le cœur
Le cas du réacteur Superphénix est pris comme exemple : les variantes les plus représentatives seront évoquées.
L’élément combustible assure cinq fonctions principales :
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la fourniture d’énergie, dans la région « fissile du cœur » ;
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la régénération du plutonium, dans la région « fertile », souvent désignée comme « couverture » ;
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la protection neutronique des structures supérieures du bloc réacteur ;
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le réglage du débit du sodium pour assurer la plus grande uniformité possible de température du sodium sortant du coeur ;
-
le maintien mécanique de l’ensemble du cœur.
Les deux dernières fonctions concernent le « pied » et le « boîtier » de l’assemblage combustible ; la protection neutronique supérieure est une structure solidaire du boîtier ; les couvertures latérales sont constituées d’assemblages ne contenant que des crayons « fertiles » à base d’uranium appauvri ; les couvertures axiales supérieures et inférieures sont intégrées au crayon combustible contenant la partie « fissile » en zone médiane.
HAUT DE PAGE1.2 Performances et contraintes de sûreté
On demande au combustible des RNR des performances thermiques élevées : densité de puissance de 300 kW/dm3 de cœur correspondant à 80 W · g−1 de combustible, température de gaine atteignant 620 à 630 ˚C (mais limitée à 700 ˚C) et température au cœur du crayon combustible atteignant 2 000 ˚C au point le plus chaud. Les taux de combustion visés sont également très élevés : jusqu’à 170 000 MWj · t−1 (au maximum), ils correspondent à des endommagements par irradiation très importants [180 à 200 dpa (nombre de déplacements par atome)]. Températures élevées et taux de combustion élevés ont pour conséquence le relâchement de fractions significatives de gaz de fission pour lesquels on doit réserver...
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