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RÉSUMÉ
En s’appuyant sur le retour d’expérience des MAGNOX (réacteurs à caloporteur CO2 avec combustible uranium naturel métallique et modérateur graphite) et en passant du combustible métallique à uranium naturel au combustible crayon oxyde légèrement enrichi gainage acier, les ingénieurs britanniques ont conçu une filière de réacteurs nucléaires de puissance unitaire de 650 MWe à haut rendement thermique : les AGR (Advanced Gas cooled Reactors) dont l’exploitation est prévue jusqu’en 2028. Cet article vise à donner une vision générale d’un concept de réacteur à caloporteur gaz et présente les principales caractéristiques de cette filière unique : architecture générale, cuve ou caisson en béton, cœur, neutronique, gestion du combustible, circuits de refroidissement. Une comparaison avec les réacteurs MAGNOX et une brève analyse des atouts et points particuliers de cette filière sont également apportés.
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Richard LENAIN : Ingénieur retraité CEA - CEA Saclay, Gif-sur-Yvette, France
INTRODUCTION
Les réacteurs à caloporteur gaz, modérés au graphite et à uranium naturel métallique, ont permis à la Grande-Bretagne et à la France de réaliser les premières centrales nucléaires pour la production d’électricité (filières MAGNOX et UNGG). Lorsque la possibilité de disposer d’uranium enrichi a été claire, la France s’est tournée vers les réacteurs à eau sous pression alors que la Grande-Bretagne a poursuivi dans la solution à caloporteur gaz. Pour cela, elle s’est appuyée sur le retour d’expérience des réacteurs MAGNOX (réacteurs à caloporteur CO2, avec combustible uranium naturel métallique, modérateur graphite) en mettant au point une filière spécifique : celle des AGR (Advanced Gas cooled Reactor). L’orientation nouvelle a consisté en l’utilisation de combustible légèrement enrichi et au passage du combustible métallique au combustible oxyde crayon gainé acier, ce choix a permis de mettre en œuvre un cycle thermique à haute température dont le rendement atteint 42 % et de porter le taux d’irradiation de rejet vers 44 GWj/t. En optant pour un réacteur spécifique associé au cycle du combustible oxyde, les développements futurs vers les réacteurs à neutrons rapides à caloporteur gaz ou sodium à l’étude restaient ainsi ouverts. Cette solution combustible permet également l’entreposage en piscine du combustible irradié sur des temps longs contrairement aux combustible MAGNOX.
Après un bref rappel historique de la mise en place des AGR, cet article présente les caractéristiques principales de cette filière : architecture générale, cuve/caisson en béton, cœur, structure en graphite, neutronique, gestion du combustible, circuits de refroidissement, plan d’ensemble. Une comparaison avec les réacteurs MAGNOX et une brève analyse des atouts et points particuliers des AGR sont également apportées. En 2023, cette filière qui constitue la principale composante du parc nucléaire en Grande-Bretagne (14 réacteurs sur 15) est exploitée par une filiale d’EDF.
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9. Quelques considérations
9.1 Comparaison AGR MAGNOX
À titre de comparaison pour deux réacteurs de la même gamme de puissance 600 MWe, le tableau 9 illustre les ordres de grandeur des caractéristiques physiques des filières MAGNOX et AGR abouties.
Les puissances volumique et spécifique trois fois plus importantes conduisent à un volume de cœur trois fois plus faible. La gestion du combustible s’opère sur 330 canaux au lieu de plus de 6 000.
On doit aussi noter que le combustible UO2 AGR a des caractéristiques d’emploi du même type que celles des premiers réacteurs à eau bouillante (burn-up max de 24 GWj/t au lieu de 6 000 MWj/t).
La température de sortie cœur élevée (639 °C au lieu de 414 °C) associée à l’augmentation de la pression (40 bar au lieu de 28) permet d’atteindre un rendement thermodynamique élevé (42 % au lieu de 31 %).
Les réacteurs sont conçus avec des caissons en béton précontraint.
Les températures et la puissance gamma à l’intérieur du caisson AGR nécessitent une circulation du CO2 optimisée pour refroidir avec le gaz froid les structures internes : déflecteur acier (baffle), réflecteurs, canaux en graphite, protections thermiques et biologiques des composants internes (échangeurs/bouilleurs, soufflantes…) que ne demandent pas les conditions d’emploi du caisson MAGNOX.
HAUT DE PAGE9.2 Retour d’expérience de la phase de réalisation
La mise au point de la filière a été longue et effectuée alors que les chantiers sur plusieurs sites étaient lancés par différents constructeurs.
Le retour d’expérience MAGNOX a été important (architecture générale et caisson). Cependant, l’augmentation de puissance unitaire a apporté des problèmes nouveaux liés à une puissance volumique trois fois plus élevée conduisant à l’augmentation importante du flux radioactif dans le cœur et à la température élevée du caloporteur.
Les opérations de chargement et déchargement du combustible ont été les plus longues à finaliser : problème de tribologie de la machine de chargement/déchargement dans le hall...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - NONBØL (E.) - Description of the Advanced Gas Cooled Type of Reactor (AGR). - Erik Nombol Rise National Laboratory Roskilde, Denmark (1996).
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(2) - BARRÉ (B.) et al - Nuclear Reactor Systems chapter 2 : CO2 Gas Cooled Reactors. - Nuclear engineering series ; EDP Science (2016).
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(3) - GLENDENNING (I.) et al - The development of safe on-load refuelling practices in advanced gas cooled reactors. - IAEA CN 48/278 (1988).
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(4) - BRITTAIN (N.) - * - . – EDF Energy Nuclear generation : The AGR Design, Fukushima and more (2012).
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(5) - KEMMISH (W.B.) - Gas cooled fast reactors. - Nucl. Energy ; ISSN 0140-4067 v.21(1) ; p. 77-88 (1982).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Réacteurs à neutrons rapides refroides au sodium.
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