Rapport Technique titre

3.4Le combustible et le sodium

(Réf. 28 bis).
Le choix du combustible intervient fortement tant au niveau du réacteur qu’au niveau du cycle (fabrication, retraitement).

Ce choix revêt donc un caractère particulier qui dépasse le cadre de tel ou tel réacteur.

Le comportement du caloporteur au contact du combustible a une importance considérable (en particulier en cas de rupture de gaine) et est sous la dépendance des propriétés physico-chimiques du combustible et du caloporteur lui-même, mais aussi d’une autre façon sous la dépendance des choix technologiques qui sont en quelque sorte à l’interface entre le combustible et le caloporteur, c’est-à-dire, dans le cas que nous considérons, de la conception de l’assemblage et du faisceau.

3.4.1Influence sur la thermohydraulique du faisceau des caractéristiques thermiques et hydrauliques exceptionnelles du sodium

Les propriétés thermiques et hydrauliques exceptionnelles du sodium atténuent très fortement tous les problèmes d’hétérogénéités thermiques ou hydrauliques qui sont potentiellement créées au sein du faisceau à la suite des déformations et des hétérogénéités de toutes sortes.

3.4.2L’assemblage combustible

La recherche des performances actuelles a conduit à l’élaboration d’un assemblage dont la conception est sous la dépendance de nombreux facteurs.

L’examen de ces facteurs est dans la référence 28 Bis.

Nous n’examinerons ici que l’influence du sodium.

Pour isoler (ce qui ne peut être que partiel), l’influence du sodium, il faut considérer les caractéristiques principales de l’assemblage combustible :

• 
  une teneur élevée en combustible (15 à 30 %) (voir N.B : teneur du combustible en Plutonium) pour PHENIX, SUPERPHENIX, EFR,
  
• 
  un combustible (U,Pu)0₂ (voir N.B : combustible oxyde),
  
• 
  un vase d’expansion dont la taille est du même ordre de grandeur que la colonne fissile,
  
• 
  un espacement entre aiguilles assuré par un fil (voir N.B : espacement entre aiguilles),
  
• 
  un tube hexagonal entourant chaque faisceau d’aiguille (voir N.B. : tube hexagonal, réglage des débits),
  
• 
  utilisation d’aciers (austénitiques ou ferritiques) (voir N.B. : le choix des aciers),
  
• 
  un choix de caractéristiques d’irradiation très performantes,
  
• 
  une puissance linéique de l’ordre de 450 W/cm au plan de flux maximal,
  
• 
  des températures de gaine élevées (de l’ordre de 620 - 630°C) au sommet de la colonne fissile, à mi-épaisseur gaine, en conditions nominales)
  
• 
  un objectif élevé en taux de combustion afin d’assurer la rentabilité économique au niveau du cycle. Ainsi, dans le projet EFR, 170.000 MWj/t sont visés au plan de flux maximal, se traduisant, au niveau des matériaux de structure, par des valeurs de dose élevées (correspondant à ~ 180 - 200 dpa).
  

N.B. : Teneur du combustible en Plutonium
Dans l’optique d’une forte consommation en Plutonium [combustible ECRA, incinération d’actinides], on peut envisager des teneurs beaucoup plus élevées.

Cependant, dans le cas (actuel) de l’utilisation du procédé Purex, les conditions de solubilité des oxydes dans l’acide nitrique imposent de ne pas dépasser une teneur de 45 %.environ.
N.B. : Le combustible oxyde
Le combustible UO₂ utilisé depuis vingt ans sur les REP possède une fiabilité élevée.

L’expérience sur le combustible MOX, quoique récente est concluante.

Le recyclage du Plutonium dans les REP a pu être mis en oeuvre rapidement grâce aux connaissances accumulées lors de la fabrication et de l’irradiation du combustible mixte UPu(o₂) des RNR.
N.B. : Espacement entre aiguille, fil espaceur et propriétés thermiques du Sodium
Le recours à un fil espaceur est une option technologique très favorable à l’atteinte d’une grande compacité du faisceau.

Les performances thermiques du Sodium sont particulièrement favorables à cette option.

Il faut cependant remarquer que quelques concepts à grille existent (PFR, SNR 300).
N.B. : Tube hexagonal, réglage des débits
Le sodium permet d’atteindre un échauffement cœur très élevé (150°C).

Il résulte de cette possibilité que le réglage fin des débits a une incidence accrue sur la température moyenne de sortie cœur.

Le choix d’un tube par assemblage répond à cette possibilité de régler les débits.

Sa géométrie hexagonale est favorable à l’atteinte d’un réseau dont la compacité est compatible avec les propriétés thermiques du Sodium.
N.B. : Le choix des aciers
Le fonctionnement à haute température a conduit à choisir des aciers austénitiques.

Le Sodium, lui-même, est parfaitement compatible avec les aciers austénitiques.

C’est pour cette classe de matériaux que les études ont été les plus nombreuses. Elles ont permis de faire évoluer la dose admissible de 30 à 40 dpa au début des années 1970 à 160 dpa pour EFR.

Les aciers ferritiques et martensitiques dont la résistance mécanique à haute température (> 650°C) est insuffisante pour les gaines présentent par contre une excellente résistance au gonflement qui en fait d’excellents candidats pour les tubes hexagonaux.

Le seul phénomène que le sodium pourrait favoriser est le transfert de carbone qui fragiliserait les aciers inox.

Or, l’EM10 à très faible teneur en Carbone (0,1 %) qui a été retenu pour le TH d’EFR est parfaitement compatible avec le sodium à la température des tubes hexagonaux.

3.4.3La corrosion de la gaine par le Sodium

Les aciers austénitiques (et en particulier l’acier 15 - 15 Ti) présentent une excellente compatibilité avec le Sodium. Une corrosion de 20 à 30 m peut cependant être observée dans les parties les plus chaudes de la gaine.

Bien entendu, les phénomènes de corrosion croissent avec la température et la durée d’irradiation.

Néanmoins, dans les conditions de fonctionnement des aiguilles des réacteurs rapides (_g < 650°C, T_i < 1500 Jepp), cette corrosion reste très limitée et n’a que peu d’influence sur la tenue de l’aiguille.

3.4.4La réaction oxyde mixte/ Sodium

Le caractère hautement réducteur du Sodium laisse présager l’incompatibilité Sodium/Oxyde mixte.

La réaction Sodium/Oxyde mixte est la suivante :

3 Na + (U,Pu)O_2-x  +  O₂    Na₃(U,Pu)O₄
Les conditions thermodynamiques, caractérisées par le potentiel d’oxygène, fixent le sens de cette réaction.

Un équilibre Sodium liquide (U,Pu)O_2-x peut être profondément modifié.

Ce Sodium peut se comporter comme un réducteur (cas le plus fréquent s’il est pur), ou comme un oxydant si son degré de pureté est très bas et peut ainsi constituer un puits (ou une source) presque infini d’oxygène vis-à-vis des quantités d’oxygène disponibles dans l’aiguille.

Enfin, il faut signaler qu’au cours de son évolution, une rupture peut passer d’un système fermé (perte d’étanchéité) à un système ouvert (rupture secondaire).

La cinétique de la réaction oxyde-sodium dépend de plusieurs facteurs et notamment de la température. Pour donner un ordre de grandeur, cette vitesse est multipliée par un facteur voisin de 50 lorsque l’on passe de 600 à 800°C. Ceci explique que la réaction la plus importante ne se produise pas nécessairement à l’endroit où se situe la perte d’étanchéité lorsque le sodium peut circuler librement dans l’aiguille (présence d’un jeu).

Outre ce paramètre, la cinétique globale doit prendre en compte les autres phénomènes permettant d’alimenter la réaction : vitesse d’entrée du sodium, cinétique de migration de l’oxygène dans le combustible...

Il est intéressant de noter que, même aux températures élevées, la réaction est loin d’être instantanée, ce qui permet de gérer les ruptures en réacteur.

3.4.4.1La rupture de gaine

La réaction Oxyde/Sodium conduit à la formation d’uranoplutonate et à une augmentation du volume du combustible.

L’apparition de la rupture de gaine conduit à l’émission de produits de fission.

La sortie des premiers émetteurs de neutrons retardés est mise à profit pour détecter la rupture de gaine.

Il est possible de fixer un seuil d’arrêt d’urgence avant que la réaction Oxyde-Sodium ne conduise à une sortie de matière fissile.