59
Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? » Un réacteur nucléaire : Comment ça marche ?

Reacteur Nucleaire JC Klein

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Le réacteur nucléaire , comment ça marche......

Citation preview

Page 1: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Un réacteur nucléaire :

Comment ça marche ?

Page 2: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Les dessous d’un réacteur

nucléaire

Zebigbos Agent TOME

Doc.

une enquête policière menée par:

Page 3: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

A. TOME, faites moi un

signalement précis d’une

centrale nucléaire. Avec des

photos pour le dossier !

OK, c’est

parti

Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?

Page 4: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

… au charbonCentrale de Gardanne (13)…Centrale nucléaire type REP

Ils sont malins ces réacteurs,

certains se font livrer du charbon

en quantité pour se dissimuler

mais on les reconnaît bien avec

leurs grandes tours !

Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?

Page 5: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Electricité

Production de vapeur

Hé non ! La différence majeure vient du moyen

de produire la chaleur pour faire de la vapeur.

Réacteur nucléaire � Production de chaleur

Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?

Page 6: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

On utilise une réaction impliquant le noyau de l’atome

(réaction nucléaire) et non plus les électrons (réaction

chimique)

1 eV = 1.6 10-19 Joules Combustion d’1 atome de C : 4 eV

Fission d’1 noyau U235:

200 Millions eV

Facteur ~ 1 million

Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?

νννν nouveaux neutrons (2< ν < 3)

Principe de la réaction en

chaîne: en préserver au moins

1 pour une nouvelle fission

Page 7: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Mais le charbon, il ne pourrait pas fissionner ?

Non (*). Il faut des noyaux lourds.

Les meilleurs isotopes sont :

-U235, Pu 239, Pu241, U233

Et des moins bons ou parasites :

- U238, Pu 240, Pu242

Seuls isotopes naturels, mais U235 dilué à 0.7% dans l’U238

dans le minerai(*) En fait, tous les noyaux finissent pas se briser si l’énergie du projectile est suffisante, mais on dépense plus d’énergie

que l’on en récupère.Dans un réacteur, rien que pour fissionner les atomes d’U238, les neutrons les plus énergétiques (de

1 MeV à 10 MeV) peuvent au mieux fissionner les atomes d’U238, Pu240 ou Pu242.

Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?

Page 8: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Cœur d’un Réacteur à Eau Pressurisée (REP)

Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?

Page 9: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Coupe horizontale d’un REP

320 cm

cuve

Cœur2

1,6

cmAssemblage

Pastille UO2

Cellule

Gaine

Eau

1,2

6 c

m

Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?

Page 10: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Assemblage combustible (REP)

Enquête n° 1 : qu’est ce qu’une centrale nucléaire ?

Page 11: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

A. TOME, il paraît qu’une bande organisée de

neutrons sévit dans le réacteur. Je veux tout

savoir: combien ils sont, ce qu’ils font, etc…

J’ai filé tout un groupe. Au départ, ils courent très vite puis

ils ralentissent (sûrement la fatigue?). Certains disparaissent

dans des trous, quelque fois énormes, qui apparaissent sur

le chemin (encore une ruse?). Et finalement, environ 1/3 de

la bande s’attaque aux gros noyaux et les brisent en deux.

Croyez moi, ils ne sont pas très nombreux ces neutrons,

mais ils font la loi, et il faut faire très attention à ce qu’ils

ne se reproduisent pas trop vite sinon ….

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 12: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Perte d'énergie par collisions élastiques

(ralentissement, modération).

Histoire (vie) d’un neutron dans un réacteur

Equilibre thermodynamique : Neutrons thermiques (2200 m/s)

Réacteurs à neutrons thermiques

Neutrons de fissionEmoyenne ~ 2 MeV (20000 km/s)

1 MeV

1 keV

1 eV

Energieneutrons

Naissance

Peu de ralentissement :Neutrons rapides

RNR

Réacteurs à neutrons

rapides

Page 13: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Les interaction neutron-noyaux

0.8U238

0Pu239

0U235

Energie cinétique minimum du neutron

pour provoquer la fission (MeV)

Réaction

à seuil

• Fission

• Réaction (n,2n) : n + A ���� (A-1)* + n’ + n’’

• Réaction (n,p), (n,αααα)Du second ordre pour le contrôle du

réacteur

• Capture radiative (réaction (n,γ))γ))γ))γ))

• Choc sur un noyau et transfert d’énergie

cinétique(*) (Diffusion, Scattering)

���� Ralentissement du neutron

2

1

1max

+

−=∆

A

AE

(*) Perte d’énergie plus

importante sur des noyaux légers

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 14: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Et ça change quoi, que les neutrons ralentissent

ou pas ?

Ca change énormément leur façon d’interagir avec

les noyaux rencontrés (lourds ou légers).

Et cette probabilité d’interaction entre les neutrons et les

noyaux se traduit par une variable appelée section efficace,

qui dépend donc de la vitesse (énergie) du neutron

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 15: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Une section efficace, c’est la surface de choc

que voit un neutron (*)

Section efficace totale Surface de choc toute

interaction confondue

(*) Le diamètre du noyau étant de l’ordre de 10-12 cm, la surface réelle sera donc de l’ordre de 10-24 cm2. Mais la

surface de choc (ou surface d’interaction) peut plus grande ou plus petite, jusqu’à 1 million de fois, que la surface

réelle du noyau (mécanique quantique).

Surface de choc

pour chaque

interaction séparée

CaptureFissionDiffusion

Section efficace

par réaction

(partielle)

(mais capture+fission+diffusion+…= totale)

Page 16: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Domaine dit

thermique

Résonances, trappes

Domaine dit

rapide

Section efficace microscopique totale (essentiellement capture)

Voici un exemple pour 1 noyau d’Uranium 238

Plusieurs dizaines de milliers de points (par isotope et par interaction……)

200 000 points pour la section de capture de l’U238 (mesures expérimentales + modèles)

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 17: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Avec 2 isotopes de l’Uranium

U235fission

U238 capture

Domaine thermiqueDomaine rapide

Il faudra ensuite tenir compte des proportions de chaque

noyau dans les matériaux

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 18: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

U235

U238

Réseau d’uranium contenant 3% d’U235 (enrichi à 3%)

Vu par des neutrons rapides Vu par des neutrons lents (thermiques)

Voilà pourquoi il est intéressant d’avoir des neutrons lents (thermiques).

Sinon, pour des neutrons rapides, il faut avoir une proportion de « bons »

noyaux combustibles plus importante (fort enrichissement).

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 19: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Réseau d’uranium contenant 3% d’U235 (enrichi à 3%)

Vu par des neutrons près d’une résonance de l’U238

U238

U235C’est donc ça, les

fameux trous dans

lesquels ¼ des neutrons

que j’ai suivi tombaient

D’où l’intérêt de

les ralentir le plus

vite possible, donc

avec des noyaux

légers

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 20: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Eh bien s’ils disparaissent, on devrait en être débarrassés,

alors pourquoi y en a-il toujours autant, voir plus ?

Il faut regarder le nombre de neutrons créés d’une génération de

neutrons à la suivante. C’est le facteur de multiplication effectif

(keff) des neutrons dans le réacteur. Voici un exemple pour un REP :

1 neutron

émis

ralentissement

(trappes)0,75 neutrons

Captures

parasites0.45 neutrons

Fuites hors

réacteur0.4 neutrons

0,4 nouvelles fissions

Augmentation, réacteur surcritique>1

Diminution, réacteur souscritique<1

Stationnaire, réacteur critique1

Population de neutrons (≡≡≡≡puissance du réacteur)keff

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 21: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Et pour démarrer ou arrêter le réacteur ?

On joue sur les captures parasites avec des

absorbants pour rendre le réacteur surcritique

ou sous-critique.

Mais keff doit rester proche de 1 pour maitriser

l’augmentation de la population de neutrons

(keff ≤ 1.001 en pratique)

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 22: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

• REB : insertion par le bas du cœur

Exemples d’absorbants de contrôle

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

• REP : insertion par le haut du cœur

• REP : On utilise aussi du Bore dans

l’eau de refroidissement (*)

(*) n+B10 � He+Li

Page 23: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

A B C D E F G H J K L M N P R S T

17 17

16 SD SD 16

15 SA N5 N3 N5 15

14 SC SB N4 SB SC 14

13 N2 SA N4 N2 SA 13

12 SB SA GA GB SA SB 12

11 N5 N4 SC SC SC N5 11

10 SD GB GA N4 SD 10

9 N3 SA SC N5 SC SA N3 9

8 SD N4 GA GB SD 8

7 N5 SC SC SC N4 N5 7

6 SB SA GB GA SA SB 6

5 SA N2 N4 SA N2 5

4 SC SB N4 SB SC 4

3 N5 N3 SA 3

2 SD SD 2

1 N2 Nom du groupe de barres 1

A B C D E F G H J K L M N P R S T

Enrichissement 3.1%

Enrichissement 1.8%

Enrichissement 2.4%

Ex : Chooz B1 (palier N4,

1450 MW) : position des

73 grappes

� Sx : sécurité

� Nx : groupe noir

� Gx : groupe gris

Disposition des grappes de contrôle

Enquête n° 2: Dans le réacteur nucléaire, qui gouverne ?

Page 24: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

A. TOME, j’ai entendu parler d’une filière dans le

monde des réacteurs. Il s’agirait d’un clan

« REP ». Remontez cette filière pour savoir de

quoi il retourne.

OK, c’est

parti

Enquête n° 3 : une filière : un réseau organisé ?

Page 25: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

En réalité, il n’y a pas une mais des filières,

chacune constituée de :

- 1 type de combustible

- 1 ralentisseur de neutrons (sauf RNR)

- 1 caloporteur

Enquête n° 3 : une filière : un réseau organisé ?

100 000 combinaisons possibles

1000 études réalisées

100 projets avancés

~30 essais en laboratoire

17 prototypes

7 survivants (Magnox, AGR, REP (PWR), REB (BWR),

CANDU, RNR-Na (SFR), RBMK)

Mais les REP sont effectivement les plus nombreux

Page 26: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

• Réacteurs à neutrons thermiques

� Le réacteur à eau sous pression (REP)

• U enrichi à ≈ 3 – 4 % (en U235) ou MOX (mélange U+Pu)

• Caloporteur et modérateur: eau liquide à 155 bars (REP)

• 58 REP en France : 900 MWe (Fessenheim) à 1450 MWe (Chooz)

� Le réacteur UNGG (Uranium Naturel-Graphite-Gaz)

• U naturel

• Caloporteur : gaz CO2

• Modérateur : graphite (A=12) (très peu absorbant)

� Autres: les réacteur à Eau Lourde REL (ex: Brennilis)

Les filières de réacteur développées en France

Enquête n° 3 : une filière : un réseau organisé ?

Arrêtés

1 survivant:

Phénix

• Réacteurs à neutrons rapides

� Le RNR-Na (Ex: Rapsodie, Phénix, Superphénix)

• Mélange (U-Pu)O2 dans crayons aciers

• Caloporteur : Sodium

Page 27: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Récupérer plus d’essence dans ma voiture

que j’en ai mis au départ ? Il paraît qu’ils

peuvent faire ça avec leur combustible

nucléaire. Une arnaque ?

OK, je mène l’enquête

Page 28: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

U-235

U-236

U-237 Np-237

U-238 Np-238 Pu-238

U-239 Np-239 Pu-23923,5 mn 2,3 d

Pu-240

Pu-241 Am-24114,4 y

Pu-242 Am-242 Cm-242

Pu-243 Am-243 Cm-243

Am-244 Cm-244

Cm-245

n, gamma

Beta

Alpha

β+

Les interactions neutron-noyaux

modifient la nature du combustible

Fission

Fission

Fission

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Page 29: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Exemple d’évolution du combustible (REP)

Durée d’irradiationannées

Les produits de fission, très

radioactifs, chauffent le

réacteur même après l’arrêt

(puissance résiduelle)

Le

combustible

initial s’épuise

Recyclage sous forme de MOX.

La distribution des isotopes du

plutonium (vecteur Pu) change

avec la durée d’irradiation (burn

up, taux de combustion)

Page 30: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Puisque le combustible s’épuise, il faut le remplacer

régulièrement. Mais pourquoi on ne remplace qu’une partie

des assemblages usés par des assemblages neufs ?

Autant profiter de l’arrêt pour tout changer non ?

Cela s’appelle une gestion fractionnée (batch, lot).

Les assemblages usés finissent de brûler le combustible encore présent en petite quantité grâce à l’excédent de

neutrons fournis par les assemblages neufs

- Assemblages usés au centre � aplatissement de la nappe de puissance (out-in)

- Assemblages neufs au centre � limiter les dommages sur la cuve (in-out)

+100%+71%+60%+50%+33%Réf.Energie extraite

0-71%-60%-50%-33%Réf.Longueur du cycle

1/∞(*)

1/51/41/31/21Fraction du cœur

rechargée

(*) La gestion 1/∞ signifie un rechargement continu, gestion réellement réalisée dans les UNGG, CANDU et HTR

Page 31: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

• Un plan de chargement REP

900 MW

� 1/4 UO2

� 1/3 MOX

UO2 en 1er cycle

UO2 en 2ème cycle

UO2 en 3ème cycle

UO2 en 4ème cycle

MOX en 1er cycle

MOX en 2ème cycle

MOX en 3ème cycle

R P N M L K J H G F E D C B A

1

2

3 SD

4 N1

5 SC

6 R G2 N2

7 SD SB

8 SA N1 G1 R

9

10

11

12

13

14

15

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Page 32: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

0,6 noyau

de Pu239

gagné

0,6 capturés par

l’U238 (25%)

1 pour une

nouvelle fission

1 noyau

de U235

disparu

0.8 captures

stériles

Rien

1 fission d’U235= 2,4 neutrons

Bilan REP

0.6 combustible consommé

combustible produit

1

0.6 = =

1,2 capturés par

l’U238

1,2 noyau

de Pu239

gagné

1 pour une

nouvelle fission

1 noyau

de Pu239

disparu

0.7 captures

stériles

Rien

1 fission de Pu239 = 2,9 neutrons

Bilan RNR

combustible consommé

combustible produit

1

1.2 = 1.2 =

Ce chiffre est appelé facteur de conversion (de matière fertile en matière fissile).

S’il est > 1 (surgénération) on produit plus de combustible qu’on en utilise (mais

il faut tout de même fournir l’U238). C’est le nombre ν qui est déterminant !

Le plutonium produit n’est pas suffisant pour remplacer l’U235

consommé ?

Page 33: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Les produits de fission ont-ils un impact ?

Ils sont radioactifs donc :

- dangereux pour les organismes (équivalent de dose)

- émetteurs de chaleur (puissance résiduelle court/moyen terme)

En plus ils sont absorbants de neutrons (poisons neutroniques) donc :

- ils augmentent les captures parasites (l’effet négatif est ~ aussi

important que l’usure du combustible lui-même)

- ils perturbent (grandement pour certains PF) le pilotage des

réacteurs à neutrons thermiques

Page 34: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Un produit de fission particulier: le Xénon 135

0.00001%

Fission

0.00064%135I

TI = 6.53 h135Xe

TX = 9.17 h135Cs

Réaction (n,γγγγ) : 3000 fois plus

absorbant que l’U235136XeTransparent aux neutrons

Fission

135Iéq.

135Xeéq.

136Xe135Cs

Disparition par réaction avec des neutrons

Disparition par radioactivité

Fonctionnement stationnaire

(équilibre)

Fission

136Xe 135Cs

135I �

135Xe �Disparition par réaction avec des neutrons

Disparition par radioactivité

Arrêt du réacteur

Page 35: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

-100000 -50000 0 50000 100000 150000 200000 250000

temps (secondes)

Em

po

iso

nn

em

en

t X

én

on

(p

cm

)

REP (U5 3%)

RHF (U5 90%)

Pnominale

P=0

10h

8h 40h20h

-L’iode n’est pas un poison

(σcapture ≅0) mais constitue un réservoir de Xénon 135

- Ce réservoir croît avec

l’enrichissement du combustible

Si arrêt brutal du réacteur (AU), l’I235 se déverse rapidement

dans le réservoir de Xe135 qui augmente (rebond, pic Xe):

Les captures parasites augmentent et le redémarrage peut

s’avérer impossible dans l’immédiat dans certains cas:

- Réacteur à combustible très enrichi (RHF)

- REP en fin de cycle (faible réserve de combustible)

Page 36: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

t = 0

Equilibre

t = εεεε

Perturbation

t = 6 h

Amplification et

1er extremum

t = 10 h

Début d’inversion

t = 18 h

2ème extremum

(inversé)

Flux

Iode

Xénon

Fonctionnement avec barres insérées

- Une simple baisse de puissance suffit à perturber les

équilibre I et Xe et à déséquilibrer la puissance axiale.

- On mesure ce déséquilibre avec l’axial offset :

- Cela impose des diagrammes de pilotage

- Une des causes de l’accident de Tchernobyl

BasHaut

BasHaut

PP

PPA.O.

+

−=

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Il n’y a pas d’effet Xenon dans un RNR (réacteurs à neutrons

thermiques uniquement)

Page 37: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Alors, les produits de fission: que des défauts ?

Un seul mais primordial avantage, ils émettent (pour certains)

des neutrons avec un retard dû à leur décroissance radioactive

(neutrons retardés). Et c’est uniquement grâce à eux que l’on

peut piloter un réacteur, rapide ou thermique (*) !

15020 µs (REP)1.0001

Augmentation de

puissance en 1 s

Temps de vie d’une génération de

neutrons à l’autre

keff

(*) sinon, voilà ce qui se passe:

Page 38: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Lors d’une fission, une proportion β sur les ν neutrons

émis est stockée dans un PF (appelé alors précurseur).

Cette fraction de neutrons n’apparaîtra que lors de la

désintégration radioactive du PF, avec un retard de

l’ordre de la dizaine de secondes.

< 1 mais ≈ 120 µs (REP)1.0001*(1-β) prompts

<< 1~10 s (REP)1.0001*β retardé

+0.2%~10 sTotal : 1.0001

Augmentation de

puissance en 1 s

Temps d’apparition du

nouveau neutron

keff

Mais alors, si 1.0001*(1-β) est >1 , je crains le pire !?

Page 39: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

C’est l’accident de surcriticité prompte: le temps de génération

est celui des neutrons prompts : c’est sans espoir (Tchernobyl).

Il faut absolument que (keff –1) < β (∗)

0.21%0.65%β

< 1.0021< 1.0065keff

Pu239U235

Les réacteurs fonctionnant avec du plutonium sont

donc un peu plus « nerveux ».

(*) par précaution β /2 dans les réacteurs expérimentaux et beaucoup moins dans les réacteurs

de puissance, mais pour d’autres raisons

Page 40: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 4 : le combustible nucléaire

Bien sûr, dans une bombe, les neutrons doivent

se multiplier le plus vite possible, mais c’est loin

de suffire ! On en reparlera.

Surcriticité prompte, facteur de multiplication des

neutrons important : une bombe atomique ?

Je m’en doutais !

Page 41: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

« Un réacteur c’est comme un plat de spaghetti,

tu tires sur un et tout le plat vient avec ».

C’est un code ?

1 code ? Je dirais des codes !

Contre-réactions, coefficients de

température, coefficients de

réactivité,… je m’embrouille.

Page 42: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs

Variation de réactivité

Variation de puissance

Variation de température

Modification des

caractéristiques nucléaires

Boucle des contre-réactions thermiquesPas de panique :

le but est juste de

savoir comment

évolue le réacteur

en cas de

perturbation

autour de son état

d’équilibre

Page 43: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs

On définit un

coefficient de

température

global

Tk

k ∂∂=1α

k : facteur de multiplication effectif

T : température

α : en pcm/°C

Critère de sûreté incontournable:

αααα < 0

par conception

Puis en fonction du réacteur, on peut décomposer α en différents

termes (coefficient de température du combustible, du modérateur,

des structures, du caloporteur,…)

α = αcomb + αmod + αstru + αcalo + …

Page 44: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs

Coefficient de température du combustible (effet Doppler)

Une augmentation de la température induit une augmentation des captures

dans l’U238 (*)

� Effet instantané et stabilisant

� 3 fois plus important dans un REP que dans un RNR

� D’autant plus faible que le combustible est enrichi (moins d’U238)

(*) � agitation thermique des noyaux ⇒Modification de la vitesse apparente du

neutron vers le noyau cible ⇒Aplatissement et élargissement de la section efficace résonante

C’est le premier effet stabilisant de tous les réacteurs

Page 45: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs

Coefficient de température du caloporteur

Une augmentation de la température induit une diminution de la concentration

des noyaux par dilatation:

� Diminution des captures parasites (déstabilisant)

� Augmentation des fuites vers l’extérieur (stabilisant)

� Diminution du ralentissement

⇒ Stabilisant dans un REP ( captures(U238) ����)

⇒ Déstabilisant dans un RNR à cause du combustible plutonium (*)

-La vidange de l’eau d’un REP arrête la réaction en chaîne,

-La vidange du sodium d’un RNR l’augmente (d’où des

cœurs de forme « galette » pour favoriser les fuites)

(*) Lorsque l’énergie du neutron augmente, les isotopes fissionent mieux: vrai pour U235, Pu239 mais surtout pour Pu240 et

Pu242. Ce meilleur rendement augmente donc keff dans un RNR à combustible purement plutonium. Dans un REP, le léger

meilleur rendement sur U235 est largement compensé négativement par l’augmentation des captures parasites dans l’U238, et

keff diminue globalement. Dans un REP avec du MOX, c’est une situation intermédiaire.

Page 46: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs

(*) La teneur en Pu correspond à la fraction PuO2/(PuO2+UO2)

Coefficient de température du modérateur

� Dans un REP: modérateur = caloporteur

� Dans un HTR, RBMK, UNGG: modérateur = graphite

Le coefficient de température de l’eau est aussi une limite:

-à la concentration en Bore dans un REP

-à la teneur (*) en Pu du MOX dans les REP (<12%)

Coefficient de température du caloporteur (suite)

Effet

variable

Tchernobyl (RBMK) avait un αmod >0 à basse puissance

Coefficient de température des structures� Stabilisant, plus ou moins efficace selon les réacteurs

� Très stabilisant dans les RNR en cas d’accidents (transitoires) lents

Page 47: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Principe d’une bombe: fissionner le plus de noyaux possible

dans le moins de temps possible. Il faut:

- keff élevé (>2) d’où l’utilisation de Pu239 plutôt que U235

- Empecher la matière de se dilater sous l’effet de la chaleur

(minimiser les fuites de neutrons)

- Eviter les contre réactions (Doppler, …)

Dans un réacteur, les coefficients de contre-réactions

limitent la multipication trop rapide des neutrons. Par

contre, le cœur peut fondre et il existe des risques

d’explosions vapeur, hydrogène (Zr+H2O� H2), …

Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs

Tous ces coefficients empêchent donc le

réacteur d’exploser comme une bombe?

Page 48: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Bon d’accord, ils ne peuvent pas exploser,

mais sont-ils sûrs ?

Le risque zéro n’existe mais on fait tout pour le prévenir :

- redondance des moyens d’intervention

- limitation des conséquences si l’impossible a lieu (mitigation)

- concepts avec sûreté passive (sans actions extérieures)

Enquête n° 5 : la stabilité des réacteurs

Page 49: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Enquête n° 6 : la sûreté des réacteurs

� Maitriser le facteur de multiplication effectif (maîtrise de la réactivité),

et pouvoir arrêter le réacteur en toutes circonstances

� Evacuer la chaleur en toutes circonstances (nominal mais aussi

après arrêt)

� Confiner les matières nucléaires

Les 3 points essentiels de la sûreté

Un concept de réacteur ne sera valide qu’après avoir inventorié

et étudié toutes les situations accidentelles et leurs conséquences

(transitoires)

Page 50: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Pour les RNR-sodium

- Accident de fusion du coeur

- Bouchage Totale Instantané d’assemblage

- Retrait d’une barre de contrôle

- Perte de débit primaire ou secondaire

- …

J’ai trouvé :

Pour les REP

- Accident de Perte de Réfrigérant Primaire (APRP)

- Rupture de tuyauterie Vapeur (RTV)

- Ejection d’une grappe de contrôle (RIA)

- Injection d’eau froide

- …

Enquête n° 6 : la sûreté des réacteurs

Et pour la sûreté passive ?

Page 51: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

La sûreté passive s’appuie sur les lois physiques naturelles, tels

que les coefficients de contre-réactions que l’on peut optimiser

lors de la conception. De plus on peut citer:

• HTR : évacuation par rayonnement (mais Pcoeur < 6,5 W/cm3)

• Evacuation par convection naturelle (RNR, REB, REP…)

Etudes de concepts avec évacuation passive de Présiduelle

• Accelerator Driven System (ADS) � Surcriticité prompte impossible

Etudes de concepts sous-critique

• Reflecteur (haut et bas) de sodium vidangeable dans RNR (plenum)

• Absorbants en suspension au dessus du cœur (capillarité, flottabilité,…)

• …

Idées diverses

Enquête n° 6 : la sûreté des réacteurs

Page 52: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

FIN

Page 53: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

BACK UPBACK UP

Page 54: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

• Facteur de conversion FC

� Nombre de noyaux fissiles créés par noyaux fissiles consommés (fission ou capture)

1,20,60,90,8FC

RNR avec couverturesREPCANDUUNGGRéacteur

•Taux de combustion (« burn up »)

� Quantité d’énergie produite rapportée à la masse initiale de noyaux lourds

• Unités : MegaWatt-jours/tonne de noyaux lourds initiaux (non fissiles inclus:U238,…)

surgénération

15 %4 %0,7 %0,7 %Teneur initiale en noyaux fissiles

100.00040.00010.0004.000Burn up de rejet (MWj/t)

RNRREPCANDUUNGGRéacteur

Mesurer les performances d’un combustible

Page 55: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Cycle du combustible Thorium

• Surgénération avec Th232/U233 au lieu de U238/Pu239

Les spécificités du cycle thorium

– L’U233, un « excellent » noyau fissile : surgénération possible en réacteur

à neutrons thermiques (Shipping port) !

– Grande abondance du Th (ressource = plusieurs milliers d’années)

– Le problème de l’initialisation du cycle : recours à un autre noyau fissile

(U235, Pu239) mélangé à Th232

– Le problème des descendants (lointains) de l’U232 : Tl208, Bi212

2,2872,1082,068ηηηη

2,492,872,42<ν>

5791011681σa

531742582σf

260210650β (pcm)

U233Pu239U235Noyau

Des projets à l’étude

– Revient à la mode dans les HTR (cycle U/Th)

– Etudes prospectives : réacteurs à sels fondus

Page 56: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Utilisation du MOX en REP

En France 20 REP sont chargés à hauteur de 30% en combustible MOX.(proportion d’assemblages MOX limitée a 30% pour minimiser les modifications à apporter au réacteur).

Nécessité de zoner l’assemblage MOX pour limiter le pic de puissance apparaissant à l’interface entre UOX et MOX

Diminution de l’efficacité des absorbants de contrôle –> chargement spécifique

Limite de la teneur PuO2/(PuO2+UO2) à cause de la vidange eau

Bilan du mono-recyclage du Pu en MOX:

• Economie 10% d’U naturel

• Accroissement de l’inventaire Pu inférieur de 30%

• Augmentation de l’inventaire d’Actinides Mineurs de 35%

Page 57: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Les Actinides Mineurs

Même problème que le Pu concernant l’effet de vidange.

Page 58: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Evolution des noyaux lourds: bilan dans un REP

35 000 MWj/t

Burn up

~3 ans

Durée irradiation

33,3 %1000 kg U

Nb de cyclesTeneur U5/UCombustible UO2

40%

60% des fissions

U238 : 967 kg

U235 : 33 kg

initial

Fission: 14 kg (rapide ou via formation de Pu239)

Transmutation en actinides mineurs: 1,5 kg

Intact: 943 kg

Transmutation en Pu (~70% fissile): 8,5 kg Recyclage ?

Déchets

Fission: 21 kg

Transmutation en U236: 4 kg

Intact: 8 kg Enrichissement 0,8% mais impuretés

Poison neutronique

final

Page 59: Reacteur Nucleaire JC Klein

Rencontre du visiatome - 6 Juillet 2006: « Un réacteur nucléaire: comment ça marche ? »

Evolution des noyaux lourds: bilan dans un RNR

Combustible UO2-PuO2 (U5/U = 0,2% ; PuO2/(PuO2+UO2) = 15%)

Facteur de conversion :

1100 / 900 = 1.2

Avec un facteur de conversion de 1.2, il faut environ 30 ans pour produire la quantité de combustible nécessaire à démarrer un autre réacteur identique

(et 12 ans si FC=1.4)

En raisonnant en « Pu239 équivalent » :

Bilan total : + 200 kgCœur :

-900 + 770

= -130 kg

+60 kg

+120 kg

+ 1

50 k

g

co

uve

rtu

res