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RÉSUMÉ
Le concept de réacteur à neutrons rapides (neutrons non ralentis) exige certaines caractéristiques spécifiques pour son fluide caloporteur. Le sodium est l’un des meilleurs candidats, et cet article en explique les raisons. Le caloporteur sodium est d'ailleurs très largement plébiscité parmi les réacteurs à neutrons rapides expérimentaux de par le monde, exclusivement dans tous les réacteurs rapides prototypes en exploitation, et dans une large partie des réacteurs rapides en phase de projet de réalisation. Les propriétés physico-chimiques du sodium métallique et son utilisation en tant que caloporteur déterminent les options de conception ainsi que les performances des réacteurs à neutrons rapides.
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Gilles RODRIGUEZ : Ingénieur en génie des procédés - Expert Sénior au département d’études des réacteurs du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives - Centre de Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance, France
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 : l’hydrogène étant un excellent modérateur très largement utilisé pour ces propriétés dans les centrales à eau pressurisée. 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, et une corrosion réduite sur les circuits ;
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une nocivité réduite voire si possible nulle ;
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une grande disponibilité industrielle et un faible coût d’acquisition.
Pour remplir au mieux l’ensemble de ces critères, le sodium se révèle être l’un des meilleurs candidats. Cela explique sa très forte émergence dans la filière réacteurs à neutrons rapides lors de la construction dans le monde des réacteurs expérimentaux, et de 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 extrêmement puissant. Il est d’ailleurs utilisé comme catalyseur en raison de cette propriété particulière dans l’industrie chimique. Cet effet réducteur implique notamment une grande réactivité à l’air et une réaction très vive avec l’eau. Le développement des réacteurs à neutrons rapides (RNR) actuels est donc intimement lié à la technologie spécifique du sodium. Ainsi, les particularités et les concepts technologiques de cette filière sont souvent des conséquences directes des propriétés physico-chimiques du sodium et de son usage comme caloporteur.
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- Version archivée 1 de janv. 2004 par Gilles RODRIGUEZ
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1. Structure atomique et caractéristiques du sodium
1.1 Structure atomique
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 du mot latin Natrium toujours utilisé dans la langue allemande (le natron connu depuis l’ère égyptienne désigne le carbonate de sodium). Le nom sodium provient quant à lui du mot latin soda qui a aussi donné le mot soude. 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 (cf. § 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 naturellement 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 plus fréquemment électrochimiques pour pouvoir obtenir du sodium métallique. Humphry Davy parvient à isoler le sodium métallique en 1807, et la première production industrielle date 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...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PASCAL (P.) - Nouveau traité de chimie minérale. Tome II – Lithium – Sodium. - Édition Masson et Cie (1963).
-
(2) - GUIDEZ (J.) - Phénix Le retour d’expérience. - Éditeur EDP Sciences, Décembre 2013.
-
(3) - GUIDEZ (J), PRELE (G) - Superphénix. Les acquis techniques et scientifiques. - Édition ATLANTIS Press, Juin 2016.
-
(4) - Monographie de la Direction de l’Énergie Nucléaire - Les réacteurs nucléaires à caloporteur sodium. - Éditions Le Moniteur, Octobre 2014.
-
(5) - 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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(6) - BORGSTEDT...
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