Une réaction en chaîne et son contrôle, ou la vie d’un réacteur nucléaire
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Séminaire FRE pour élus : Au fait, l‘énergie, c‘est quoi ?
Nuclear Energy and Safety
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MATGEN-IV Cargèse, Sept.-Oct. 2007
Une réaction en chaîne et son contrôle, ou la vie d’un réacteur nucléaire
Jean-Marc CavedonDr ès sciences
Directeur du département Energie Nucléaire et Sûreté, Institut fédéral Paul-Scherrer (PSI)
4 mai 2009
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Fission, le dessin
1 neutron thermique + 1 noyau fissile -> 2 fragments de fission inégaux + 2-3 neutrons rapides
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Franchir la barrière de fission: un investissement qui rapporte jusqu’à 8 milliards de fois sa mise
200 MeV
quelques MeV •Barrière à franchir pour l’uranium
~ 5 Millions d’eV
•Pour l’uranium-235:
1/40 d’eV suffit à franchir la barrière
•Energie restituée
200 Millions d’eV
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Produits de fission = déchets
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Radioactivité des produits de fission et actinides mineurs• Quelques produits de fission (Cs-
137, Sr-90) dominent les premiers siècles
• Les actinides mineurs (Am, Np) dominent pendant des centaines de milliers d’années
• Quelques produits de fission dominent au long terme (Cs-135, I-129, Se-79…)
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La réaction en chaîne, le dessin
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Réaction en chaîne contrôlée, le dessin
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Sections efficaces U-235(n,f) et Pu-239(n,f)
?
?
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formule des 4 facteurs k∞∞ = pf
• Combustible = noyau lourd
• Moderateur = noyau léger
MODERATOR
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Contrôle de la réaction en chaîne
• 1 000 neutrons absorbés
• 1 000 neutrons produits
p
f
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Réacteur = isotope fissile + neutrons + modérateur + caloporteur + matériaux + systèmes de sûreté
• Combustible : contient l’isotope fissile et d’autres
• Neutrons : induisent la fission lorsqu’ils sont capturés
• Modérateur : ralentit les neutrons
• Caloporteur : fluide circulant et évacuant la chaleur produite
• Matériaux: gaines de combustible, supports internes, cuve étanche
• Systèmes de sûreté : contrôlent les conditions anormales et limitent les conséquences
d’accidents graves éventuels
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Filières de réacteurs : choix possiblesFissile
elementFertile
elementNeutron energy
Fuel mix Coolant Moderator Fuel formBarriers
U-235 U-238 Thermal U naturalH2O pressurized or
boilingH2O
Pellets in rods Fuel in pebble/matrix
U-233 Th-232 Fast 3% U-235 D2O D2OPellets in
platesFuel element +
cladding
Pu-239 + Spallation U + Pu MOX
CO2 gasGraphite Pebbles in
bedsF+C+
pressure vessel/tube
He gas none Spheres in matrix
F+C+PV+ concrete shell
Na liquid metal F+C+PV+CS+ steel liner
Pb or Pb/Bi liquid metal
F+C+PV+CS+SL+ core catcher
Molten salt Molten salt Molten salt
3 x 2 x 3 x 3 x 7 x 5 x 4 x 6
45360 !
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Filières actuelles et prochaines : 2x2 choixFissile
elementFertile
elementNeutron energy
Fuel mix Coolant Moderator Fuel formBarriers
U-235 U-238 Thermal U naturalH2O pressurized or
boilingH2O
Pellets in rods Fuel in pebble/matrix
U-233 Th-232 Fast 3% U-235 D2O D2OPellets in
platesFuel element +
cladding
Pu-239 + Spallation U + Pu MOX
CO2 gasGraphite Pebbles in
bedsF+C+
pressure vessel/tube
He gas none Spheres in matrix
F+C+PV+ concrete shell
Na liquid metal F+C+PV+CS+ steel liner
Pb or Pb/Bi liquid metal
F+C+PV+CS+SL+ core catcher
Molten salt Molten salt Molten salt
1 x 1 x 1 x 2 x 1 x 1 x 1 x 2
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Principaux types de réacteurs en service à ce jour
Fuel Moderator Coolant
PWR Pressurized Water Reactor
or WWER (Russia)U enriched 3% U-235 Pressurized water 155 bar
BWR Boiling Water reactor
U enriched 3% U-235 Boiling water 70 bar
CANDU U natural Heavy water Pressurized heavy water
RBMK U enriched 1.8% U-235 graphite Boiling water
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Reactors operating worldwide (end 2005)
Acronym Coolant + moderator Power GWe
Units connected
PWR Pressurized water 205 214
BWR Boiling water 78 89
WWER Pressurized water 36 53
PHWR Pressurized heavy water
21 41
LWGR Water + graphite 11 16
AGR Gas + graphite 8 14
Others 9 14
Total 368 441
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Réacteur à Eau sous Pression
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Reactor pressure vessel
Fuel
Coolant
Pump Pump
Cooling tower
Cooling water
Generator
Turbine
Condensator
Principe du réacteur nucléaireContainment
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Stabilité et contrôle
• L’existence de neutrons retardés (fractions de seconde) suffit à donner le temps d’agir à des éléments mécaniques, comme le déplacement de barres
• Boucles de rétroaction naturelles liées à la température– Décalage de résonances par effet Doppler
– Variations de densité du modérateur
• Boucles de rétroaction par construction
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Neutron retardé : exemple du 93Rb
• More than 99% of the neutrons are emitted with the fission fragments (prompt neutrons)
• The rest is emitted after a beta decay, that may delay the neutron by seconds
• This delay is essential to give time for a mechanical control of reactivity : moving control bars
6 s
n
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Effet Doppler dans le combustible : toujours stabilisant
• If T increases in fuel, the absorbing resonances are broadened by Doppler effect (increased dispersion of relative speeds)
• Then p(antitrap) decreases, k decreases, T decreases • Natural negative feedback loop• Immediate effect, with fuel temperature• Bigger effect for hotter spots• -1.8 pcm per °C (1 pcm = 10-5 variation in k)
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Variation de densité du modérateur : fixée par les dispositions constructives pour être stabilisante
• If T increases in moderator, density decreases, H/U decreases,• The right slope of the pf curve is unstable (k increases)• The left slope of the pf curve is stable :
– one builds under-moderated reactors to impose stability• Slow response, due to the thermal inertia of the moderator
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Coefficient de vide ( = vidange ou suppression du modérateur) : stabilisant dans la grande majorité des configurations• If T increases until the moderator boils :
loss of moderator
higher end energy
lower cross section
lower f
lower k
stability
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Contrôles par l’ingénierie : barres
• De compensation– Compensate fuel burnup along months of operation, very slow, wide range
in terms of reactivity worth
• De contrôle/régulation– Weakly absorbing, fast, accurate to a few pcm, permanent control of k=1
• D’arrêt d’urgence– Very absorbent, very fast and complete penetration in core, very reliable
(gravity-driven free fall or spring-loaded rods)
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Contrôles par l’ingénierie : poisons
• Poison soluble (eau boratée)– Injection of water loaded with boric acid lowers f instantly, due to the very
high neutron absorption cross section of 10B• At low concentration : -10 pcm per ppm of boron• At high concentration : emergency stop by choking the neutron flux
• Poison consommable (gadolinium)– Mixed with the fuel during production , the highly absorbent Gd isotopes
(Gd-155 and Gd-157) • consume excess neutrons at the very reactive beginning of life of the fuel,• disappear (are burnt) by the end of life, when more reactivity is needed
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Reaktordruckgefäss
Fuel
Kühlmittel
Pump Pump
Coolingtower
Coolingwater
Generator
Turbine
Condensator
Accident de fusion de coeurContainment
≤10-5
Grundbegriffe
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EPR : Compartiment d‘étalement du coeur fondu
Quelle: AREVA, 2006
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EPR : Rétention et refroidissement du coeur fondu
Quelle: AREVA, 2006
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Component cooling water system (CCWS)Safety Injection System (SIS)Residual Heat Removal System (RHRS)Containmeent Heat Removaql System (CHRS)Emergency Feedwater System (EFWS)In-containment refueling water storage tank (IRWST)
Fuel Pool Cooling System (FPCS)Emergyncy Borating System (EBS)
Control station - Steam Line (SL) - Feedwater (FW)
Disposition et séparation des 4 systèmes de sûreté
CCWSSIS / RHRSCHRSEFWS
CCWSSIS / RHRS
CHRSEFWS
CCWSSIS / RHRSEFWS
CCWSSIS / RHRS
EFWS
SLFW
SLFW
FPCSEBS
FPCSEBS
Fuel pool
Control room
IRWST
Spreading compartment
Division 2 Division 3
Division 1 Division 4
Protection against aircraft crash
Quelle: AREVA, 2006
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Olkiluoto, Finland
Quelle: TVO, 2007
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Remarques conclusives
• La vie d‘un réacteur est un long fleuve tranquille…… et les cas de „débordement du fleuve“ sont étudiés et prévus en détail
• Les déchets radioactifs sont indissociables de la production d‘énergie par fission…… et il y a une solution technique pour les isoler et les empêcher de nous nuire. Cette solution, le stockage profond, est particulièrement efficace dans le sous-sol suisse (présence de couches argileuses bien adaptées)
• Le nucléaire est partie intégrante du patrimoine énergétique suisse et à son indépendance…… et le restera demain. Il contribue grandement à limiter les émissions de gaz à effet de serre
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MATGEN-IV Cargèse, Sept.-Oct. 2007
Merci de votre attention