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RÉSUMÉ
Les différents systèmes de contrôle de la réactivité permettent de garder la maîtrise des réactions nucléaires de fission dans le cœur d’un réacteur nucléaire. Dans tous ces systèmes, les matériaux constitutifs possèdent des nucléides absorbeurs de neutrons. On appelle matériau absorbant la forme physico-chimique, en général solide, sous laquelle ces nucléides sont présents et éléments absorbants les organes élémentaires contenant le matériau absorbant, appelés barres ou grappes, ensembles composés de crayons, d’aiguilles, de croix et regroupés au sein des dispositifs de contrôle de la réactivité.
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Dominique GOSSET : Ingénieur au Département des Matériaux pour le Nucléaire, Direction de l’Énergie Nucléaire du CEA - Diplômé de l’École Supérieure des Sciences et Technologies de l’Ingénieur de Nancy
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Patrick HERTER : Ingénieur à la Cellule Projets Transverses, Direction de l’Énergie Nucléaire du CEA - Diplômé de l’École Centrale des Arts et Manufactures
INTRODUCTION
Mise à jour de l’article original rédigé par Michel COLIN, diplômé de l’École des Mines de Paris
Mes différents systèmes de contrôle de la réactivité permettent de garder à tout moment la maîtrise des réactions nucléaires de fission dans le cœur d’un réacteur nucléaire : pilotage de la puissance, arrêt sûr du réacteur, compensation de l’usure du combustible à travers le cœur. Ces systèmes peuvent prendre diverses formes : gazeuse (comme l’hélium 3 de certains réacteurs expérimentaux), liquide (en REP l’eau du caloporteur est dosée en bore soluble pour équilibrer la réactivité du réacteur), la plupart du temps solide combiné ou non aux autres possibilités. Dans tous les cas les matériaux constitutifs possèdent des nucléides absorbeurs de neutrons, contrairement au combustible qui est un milieu globalement multiplicateur de neutrons. On appelle matériau absorbant la forme physico-chimique, en général solide, sous laquelle ces nucléides sont présents et éléments absorbants les organes élémentaires contenant le matériau absorbant, appelés barres ou grappes, ensembles composés de crayons (REP), d’aiguilles (RNR), de croix (REB) et regroupés au sein des dispositifs de contrôle de la réactivité.
L’objet de ce dossier est la description des matériaux absorbants utilisés dans les barres de commande des principaux types de réacteurs électrogènes, ainsi que dans les crayons de poisons consommables des réacteurs à eau ordinaire.
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3. Conclusion, perspectives
Les premiers matériaux envisagés en tant qu’absorbant l’ont été d’abord sur des critères d’efficacité neutronique et de disponibilité. Les autres aspects (matériaux, radiotoxicité…) n’ont été réellement pris en compte qu’après un nécessaire retour d’expérience. Deux exemples illustreront cette démarche :
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les pastilles de carbure de bore utilisées dans les RNR français ont vu leur diamètre passer respectivement de 42 mm dans Rapsodie à 23 mm dans Phénix puis 17 mm dans SuperPhénix, pour atteindre moins de 10 mm dans des assemblages expérimentaux. Cette évolution a été permise par l’observation et l’analyse du comportement du matériau en réacteur, qui a conduit à chercher à réduire les gradients thermiques : le surcoût de fabrication a été compensé par une augmentation de la durée de vie des éléments absorbants ;
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l’AIC a été inventé pour pallier les faibles ressources en Hf. La radiotoxicité de l’argent conduit actuellement à sa remise en cause.
Parmi les matériaux évoqués ici, l’AIC et le carbure de bore sont actuellement de loin les plus employés. On assiste cependant à une augmentation de l’utilisation du hafnium, et l’évolution du marché des terres rares conduit à s’intéresser à des matériaux plus exotiques, tels que le titanate de dysprosium. Dans la perspective du développement d’une nouvelle génération de réacteurs pouvant fonctionner à très haute température (programme Génération IV), des matériaux à faible activation et très réfractaires devront être mis au point. Au-delà des composés évoqués ici, de nouvelles pistes pourront peut-être être explorées, telles qu’un carbure de bore à taille de grains nanométrique (permettant un fort dégagement de l’hélium) ou des composés du hafnium (carbure ou oxyde), extrêmement réfractaires, voire des cermets. Par exemple, le composite Hf-B4C a été élaboré à l’échelle du laboratoire, ce matériau cumulant les propriétés mécaniques du métal et d’absorption neutronique des éléments bore et hafnium. Il n’existe cependant pas de solution évidente pour des réacteurs à spectre...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BONCHE (P.) (sous la direction de) - Le nucléaire expliqué par des physiciens - . EDP Sciences (2002).
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(3) - SIMEONE (D), DESCHANELS (X), BERTHIER (B), TEISSIER (C) - * - J. Nucl. Mat., (1997). 245(1). 27-33.
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(4) - * - MP98 Power Modulation, http://mp98.com/
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(5) - * - U.S. Geological Survey, http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/ of01-006/ (2004).
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(6) - * - U.S. Geological Survey, http://pubs.usgs.gov/fs/2002/fs087-02/ (2002).
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(7) - * - IndexMundi,...
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