Corrosion des circuits primaires dans les réacteurs à eaux sous pression

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Quand un réacteur nucléaire est mis en exploitation, des évènements extérieurs peuvent l’impacter et ils ont souvent pour origine la corrosion des matériaux de structure et des composants. Ce livre résume les phénomènes de corrosion dans les circuits primaires des centrales nucléaires à eau sous pression et présente l’historique des raisons du choix du conditionnement chimique et des matériaux utilisés. C’est un sujet assez rarement évoqué quand on parle de réacteurs nucléaires. Il est des plus intéressants sur la manière d’appréhender les phénomènes de corrosion depuis la fin des années 50 jusqu’à nos jours. De ce point de vue, il donne une perspective importante pour les acteurs d’aujourd’hui en situant bien les évolutions pendant cette période, ainsi que les raisons de certains choix réalisés pour les réacteurs actuellement en service et construits durant cette période.
Ayant une grande expérience dans le domaine, l’auteur montre l’attitude à avoir face à une difficulté d’exploitation et à la compréhension des phénomènes. De plus, il propose un nombre important de références bibliographiques.
L’ambition de ce livre est d’être un guide aux générations futures. Unique dans son genre, il s’adresse aux professionnels des réacteurs nucléaires, aux chercheurs et étudiants en science des matériaux et au lecteur qui s’intéresse à ce domaine.
Licence : Tous droits réservés
EAN13 : 9782759812462
Nombre de pages : 228
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CORROSION DES CIRCUITS PRIMAIRES
DANS LES RÉACTEURS À EAU SOUS PRESSION
Analyse historique
Pierre Beslu
Quand un réacteur nucléaire est mis en exploitation, des évènements extérieurs peuvent l’impacter et ils
ont souvent pour origine la corrosion des matériaux de structure et des composants. Ce livre résume les CORROSION DES CIRCUITS S
phénomènes de corrosion dans les circuits primaires des centrales nucléaires à eau sous pression et présente
l’historique des raisons du choix du conditionnement chimique et des matériaux utilisés. C’est un sujet
assez rarement évoqué quand on parle de réacteurs nucléaires. Il est des plus intéressants sur la manière PRIMAIRES DANS
d’appréhender les phénomènes de corrosion depuis la fi n des années 50 jusqu’à nos jours. De ce point de vue,
il donne une perspective importante pour les acteurs d’aujourd’hui en situant bien les évolutions pendant cette
période, ainsi que les raisons de certains choix réalisés pour les réacteurs actuellement en service et construits LES RÉACTEURS À EAU
durant cette période.
Ayant une grande expérience dans le domaine, l’auteur montre l’attitude à avoir face à une diffi culté SOUS PRESSION d’exploitation et à la compréhension des phénomènes. De plus, il propose un nombre important de références
bibliographiques.
L’ambition de ce livre est d’être un guide aux générations futures. Unique dans son genre, il s’adresse aux Analyse historique
professionnels des réacteurs nucléaires, aux chercheurs et étudiants en science des matériaux et au lecteur
qui s’intéresse à ce domaine.
Pierre Beslu a travaillé au commissariat à l’énergie atomique où il a étudié, a n d’en limiter l’impact,
la contamination des circuits primaires des réacteurs à eau sous pression puis la corrosion des alliages
base zirconium. Pour ses travaux sur la contamination des circuits, il a reçu en 1990 le prix de la
Société Française d’Énergie Nucléaire. Pierre Beslu
ISBN : 978-2-7598-1084-0 / 39 € TTC
www.edpsciences.org
matériaux I chimie chimie I matériaux
Corrosion des circuits primaires-V2.indd 1 05/03/14 10:39
CORROSION DES CIRCUITS PRIMAIRES
DANS LES RÉACTEURS À EAU SOUS PRESSION PIERRE BESLUCORROSION DES CIRCUITS
PRIMAIRES DANS LES
´ `REACTEURS A EAU SOUS
PRESSION
Analyse historique
PierreBeslu
17, avenue du Hoggar
Parc d activite´s de Courtaboeuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceImprime´ en France
ISBN : 978-2-7598-1084-0
Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous proce´de´s, re´serve´s pour tous
pays. La loi du 11 mars 1957 n’autorisant, aux termes des aline´as 2 et 3 de l’article 41, d’une part,
que les « copies ou reproductions strictement re´serve´es a` l’usage prive´ du copiste et non destine´es a`
une utilisation collective », et d’autre part, que les analyses et les courtes citations dans un but
d’exemple et d’illustration, « toute repre´sentation inte´grale, ou partielle, faite sans le consentement
erde l’auteur ou de ses ayants droit ou ayants cause est illicite » (aline´a1 de l’article 40). Cette
repre´sentation ou reproduction, par quelque proce´de´ que ce soit, constituerait donc une
contrefac¸on sanctionne´e par les articles 425 et suivants du code pe´nal.
EDP Sciences 2014Remerciements
Jedédiecelivreàtoutel’équipeaveclaquelle,j’aitravaillédurantenviron20anset
sanslaquellejen’auraispul’écrire.Laplupartdesrésultatsprovenantderéacteurs
et de boucles, par exemple, est due à leur compétence, à leur courage et à leur
motivation. Je ne citerai pas de noms de peur d’oublier quelqu’un mais des
prénomssachantqu’ilspeuventdésignerplusieurspersonnes:doncqueAndré,Serge,
Claude, Philippe, René, Maxy, Gérard, Jean-Claude,Pierrot,Françoise,Florence,
Jocelyne, Joël, Pierre, etc. sachent que je n’oublie pas ce que je leur dois. Que
Alain B. et Philippe R., devenus des amis, soient aussi remerciés de leur soutien,
pendant toutesces années.
Merci aussi à Serge, Frédéric et Jean-Raymond pour l’intérêt porté à ma
démarche et aux discussions passionnées sur le fond que nous avons eues pendant
l’écriture de mon document.
Un merci très spécial, à Jean-Raymond Pagès et à Fred qui, de plus, l’ont relu,
discuté et corrigé.`A Emmanuel, Thomas, Pablo et Gabin
En souvenir de NathalieSommaire
Remerciements............................................ i
Avant-propos ........... 1
Chapitre 1 : Introduction
1.1. Principe simplifie´ du fonctionnement des REP ... ........... . 9
1.2. Spe´cificite´s des composants nucle´aires ......... . 10
Chapitre 2 : Le caloporteur
2.1. Quelques caracte´ristiques ........ ........... ........... . 13
2.2. Radiolyse de l’eau [2] ........... . 18
2.2.1. Le rendement de la radiolyse ....... 18
2.2.2. Les re´actions de recombinaison............................ 19
2.2.3. Quantification ................. 23
Chapitre 3 : Mate´riaux auste´nitiques :
corrosion uniforme
´ ´ ´3.1. Generalites........ ........... ........... ........... . 25
´ ´ ´ ´3.2. Corrosion generalisee ou uniforme des aciers et des materiaux
´austenitiques....... . 27
3.2.1. Modeles de corrosion .................................. 27`
3.2.2. Corrosion de l’acier inoxydable...... 36
3.2.3.on en milieu sature......... 40´
´3.2.4. Elements autres que le fer dans les materiaux austenitiques ...... 47´ ´ ´
3.2.5. Influence de la concentration en bore sur la corrosion ? ......... 54
3.2.6. Qualite´ de protection des oxydes........................... 55
3.2.7. Valeur de taux de corrosion et de relaˆchement...... 58iv CORROSION DES CIRCUITS PRIMAIRES ...
´Chapitre 4 : Consequences de la corrosion
dans le RCP
4.1. Formation des de´poˆts ........... ........... ........... . 65
´ ˆ ´4.2. L’effet des depots sur la perte de charge et le debit ........ . 72
´ ˆ ´ ´4.3. L’effet des depots sur la reactivite.. . 76
4.4. Contamination ..... ........... ........... ........... . 78
4.4.1. Ge´ne´ralite´s ......... 78
4.4.2. Impact des parame`tres de conception et de fonctionnement
sur la contamination................................... 83
4.4.3. Variabilite de la corrosion et de la contamination...102´
´ ´Chapitre 5 : Materiaux austenitiques :
corrosion sous contrainte
5.1. Ge´ne´ralite´s........ ........... ........... ........... .109
5.2. Influence de divers parame`tre sur la CSC ....... .112
5.2.1. Influence de la contrainte .........112
5.2.2. Influence de la tempe´rature ..............................113
5.2.3. Influence de la teneur en hydroge`ne..113
5.2.4. Influence de la composition chimique du milieu....113
5.2.5. Influence de la com ch.......................114
5.2.6. Influence de la pre´cipitation des carbures.........114
5.2.7. Me´canismes de la CSC ...........114
5.3. CSC dans les REP... ........... ........... ........... .115
5.3.1. Ge´ne´rateur de vapeur.115
5.3.2. Piquages d’instrumentation des pressuriseurs ......120
5.3.3. Adaptateur des me´canismes de grappes de commandes ...........121
5.3.4. Internes ............................................122
Chapitre 6 : Corrosion des gaines de combustible
´ ´ ´6.1. Generalites........ ........... ........... ........... .125
6.2. Corrosion des alliages de zirconium .......... .127
6.2.1. Cine´tiques de corrosion des alliages de zirconium en milieu REP...127
6.2.2. Hydruration .........................................149
6.2.3. Corrosion interne.....151
6.2.4. Alliages autres que le zircaloy ; alliage Zr-Nb......152
6.3. L’interaction pastille-gaine IPG/CSC de la gaine combustible ..157
6.4. Re´sume´........... ........... ........... ........... .159`TABLE DES MATIERES v
Chapitre 7 : Contamination par les produits
de fission
7.1.1. Origine des PF dans le circuit primaire des REP et conse´quences...163
7.1.2. Me´canismes de rejet des PF (pour un crayon non e´tanche) .......165
7.1.3. Diagnostique de l’e´tat des gaines..........................173
7.2. Conclusion sur les rejets de PF ... .177
Chapitre 8 : Petit de´tour chez les re´acteurs
bouillants
8.1. Ge´ne´ralite´s........ ........... ........... ........... .181
8.2. Injection de zinc.... .183
´ ´Chapitre 9 : Evolutions recentes
9.1. Vieillissement ...... ........... ........... ........... .185
9.1.1. Amincissement des parois..........186
9.1.2. Corrosion sous contrainte..........186
9.1.3.on ge´ne´ralise´e ...................................192
9.1.4. Mode`les de transport et de contamination.........197
9.1.5. Contamination des circuits : REX ...203
9.1.6. Corrosion des gaines ...................................210
Chapitre 10 : Conclusion 213
´ ´References 217
Glossaire, sigles et abre´viations 2277KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNAvant-propos
Lenucléairefaitappelàdetrèsnombreusesdisciplinesquivontdelacomposition
du béton à la physique atomique en passant par la métallurgie, l’hydraulique, la
radioprotection, etc.
Auniveaudelaconception,ilyabienévidemmentdesdisciplinesreinescomme
laneutroniquesuivie,sil’onpeutdire,parlathermohydraulique,laprotectiondes
réacteursetlamécanique.
En revanche,unefois leréacteurconstruit, au niveaude l’exploitation,
c’est-àdiredelaviedetouslesjours,lesprioritéschangent.Laneutronique,quiestdela
physiquemathématiquepresquepuretrèsperformante,n’estplus,enexploitation
normale, que l’application de procédures, pour ne pas dire de la surveillance,
aidée aujourd’hui par de l’informatique en ligne. Déjà en 1976, j’avais été frappé
lorsdelapremièredivergenceduréacteurTIHANGE1,àlaquellej’aieulachance
de participer, de constater que le réacteur était devenu « critique » exactement à
l’instantoù laconcentrationenbore avaitatteintlavaleurprévuepar lescodesde
calcul.Cesdomaines(neutronique,thermohydraulique…)posentdoncrarement,
enroutine,desproblèmespareux-mêmes.Enrevanche,desévénementsextérieurs
peuvent les impacter. Et il se trouve que ces événements extérieurs ont le plus
souvent pour origine la corrosion des matériaux de structure et des composants
qu’elle soit uniforme ou localisée.
La chimie de l’eau dans le circuit primaire des réacteurs à eau sous pression
(REPouPWRenanglais)etlacorrosion
desmatériauxdestructurequ’elleconditionne ont été étudiées dès le début de l’ère nucléaire aux États-Unis. Dans ce
domaine,PaulCohenaétéuneréférence.Àlalecturedesonlivre[1],onpouvait,
en 1969, presque conclure que tout avait été étudié et que presque tout était
maîtrisé. Compte tenu de la somme d’informations que ce livre représentait, c’était
presque vraietentouslescasriende vraimentdramatique n’étaitàattendredans
ce domaine, si l’on appliquait les
règlesénoncées.
LesCanadiens,cependant,furentsansdoute,lespremiersàfortements’inquiéter et à attirer l’attention de la communauté internationale sur le risque ou au
moins la gêne que représentait la contamination des circuits par les produits de
corrosion (PC)activés.Cela,enraisondesdébitsdedosetrèsélevésrelevésautour
des circuits de leurs réacteurs à eau lourde sous pression (PHWR) et notamment
celui de Douglas Point. On trouve même dans un de leurs rapports des années2 Corrosiondescircuitsprimaires…
11970, autraversdeladéfinitionqu’ils donnentdumot « crud
»,soitdisantl’acronyme de Chalk River Unidentified Deposits, le signe de leur inquiétude sur le sujet.À
Chalk River, d’ailleurs, s’était montée une équipe renommée et reconnue par ses
pairs, étudiant la corrosion et ses conséquences sur la contamination des circuits.
Àsatête,DerekListerfutlongtemps(pourmoienparticulier)uninterlocuteuret
parfois uncontradicteur desplus constructifs.
Mais l’Europe n’était pas en reste et ce problème fut aussi étudié très tôt au
sein d’Euratom. En France, les travaux sur ce sujet restaient cependant assez
dispersésentreleconstructeur(Framatome),l’exploitant(EDF)etlesorganismesde
recherchescomme le CEA. Ce fut le mérite de quelqu’un comme Philippe Berge,
justement ancien d’Euratom passé aux Études et Recherches d’EDF, d’avoir, bien
avant que ce ne soit institutionnalisé, incité les différents acteurs à coordonner
leurs efforts.Lui aussi fut undébateuret unaiguillon subtil etpositif.
À la fin des années 1970 et au début des années 1980, les recherches et les
étudesdanscedomaine,furentgéréesdansuncadrequadripartitecomprenantle
constructeur américain Westinghouse qui possédait jusque-là la licence des PWR
construitsenFrance,sonlicenciéFramatome,EDFetleCEA.C’estàcetteépoque
quej’eulachancedefairelaconnaissancedeYaleSolomon,acolytedePaulCohen
(alors retraité ou sur le point de le devenir), qui me fit l’honneur de son amitié
et avec lequel j’eu de nombreux échanges et des confrontations fructueuses. Ce
fut lui qui imagina laboucle CORELE 1construite auCEA Cadarache dont il sera
question plus loin.
Lesétudessurlesujetsesontpoursuiviesjusqu’ànosjoursetlesprogrèsfaitssur
l’exploitationjournalièredesréacteurs,lasûreté,laradioprotectionetl’exposition
du personnel sont parfois spectaculaires. On peut alors se demander pourquoi ce
livre, à quoi pourrait-il servir?
Toutd’abord,parcequelorsqu’unetechniqueest«installée»etqu’elledevient
routinière, il est important, je crois, d’en écrire sinon les fondements du moins
l’historique. Sinon elle devient rapidement « procédure automatique » dont on
oublieoutransforme(aveclesmutations,lesdépartsenretraiteouautres)l’origine
et les causes. Les exemples abondent et c’est ainsi qu’on entend des explications
approximativesoufausses,donnéesenjustificationdetellespécificationoudetelle
manière d’opérer.
Ensuite, parce que, si en routine et dans la majorité des cas, tout se déroule
sans accroc, il arrive toujours un moment où dans une situation particulière, lors
d’unpetitchangementoud’uneinnovation,unévénementinhabituelsurviendra.
Interpréter cet incident et en trouver le remède ne sera pas toujours évident. Il
sera parfois nécessaire de faire appel à des mécanismes qui à une époque étaient
connus, mais qui peuvent avoir été oubliés. Il faudra alors lancer des recherches,
desexpériences,brefgaspiller dutemps etde l’argent.
Mais tout cela, dira-t-on, peut se trouver dans des publications. Certes, mais
l’expérience et en particulier le suivi des thèses montrent que, aujourd’hui, les
chercheursremontentdansleurbibliographie rarementau-delàdequinzeannées
1Enfait, unmot dulangagefamilieraméricainqu’onauraitputraduireen françaispar crasse.Avant-propos 3
et je ne suis pas sûr que la non-existence d’Internet soit la seule cause à cette
limitation.
Deplusunerecherchebibliographiquesurdesdocumentsanciensnécessitedes
critères de tri et peut être longue. Un livre, en revanche, s’il possède les qualités
requises ets’il estadopté peutespérerobtenir un statutparticulier etdevenirune
référence,comme le fut untemps (etsansdoute encore) celui de Paul Cohen.
Cet ouvrage voudrait aussi faire passer d’autresmessages concernant l’attitude
àavoirfaceàunedifficultéd’exploitationetd’unemanièreplusgénéralefaceàla
compréhension desphénomènes.
Devant un comportement nouveau, en effet, l’attitude des personnes
concernées est le plus souvent de chercher ce qui a changé au niveau du système mis en
cause. La description d’une différence va souvent être le maître mot. Cela
fonctionneparfoismaisonlesaitassezviteetil estalors assezfaciled’endémontrerla
véracité.Lamétallurgie,enparticulier,nousenfournitdesexemples:danslecadre
desalliagesàbasedezirconium,lezircaloyauraitété«inventé»parcequ’unepièce
d’inoxseraittombéedanslebainenfusion.Plusprèsdenous,DanielCharquetde
2Cézus
démontraquelaprésenceàl’étatdetracedesoufredanslesalliagesdezirco-
niumavaituneinfluencebénéfiqueremarquablesurleurspropriétésmécaniques.
Cettedémarcheestdoncnécessairemaisjusqu’oùdoit-ellealler?Elleva,biensouvent, focaliser, concentrer, orienter les recherches dans un domaine restreint.Un
élémentdetrop,desmorphologiesinhabituellesvontprovoquerl’excitationcequi
estnormal.
Mais le plus souvent l’observation ne peut pas se borneràlarecherched’«une
porte », d’« une serrure », d’un élément, d’une structure ou d’un défaut dont la
forme ou le dessin nous fournirait la clé de l’interprétation car elle devient trop
souvent et trop rapidement « l’Explication ». Car comme le dit, mieux que je ne
esaurais le faire, un auteur français du début du xx siècle, grand connaisseur de
l’âme humaine, dont je vous laisse deviner l’identité : certains « … qui apprennent
[…] quelque détailexact en tirent aussitôt des conséquences qui ne le sont paset voient dans le
fait nouvellement découvert l’explication de choses qui précisément n’ont aucun rapport avec
lui.»Ets’ilyaunlien,ilfaudrad’abordessayerd’établirqueladifférenceobservée
est bienune cause etnon une conséquence.
On oublie aussi dans le domaine du Nucléaire, que l’observation se fait le plus
souventpost mortem.Exemple,l’examendescombustiblessefaitsuruncombustible
«refroidi».Jen’aijamaisentendupersonnedanscedomaineseposerfranchement
la question de la transposition de ce qui est observé en « laboratoire actif » après
plusieurs mois de « refroidissement », au même combustible en fonctionnement
◦dontlatempératureavoisineoudépasse1000 C.Onconsidèregénéralementque
le refroidissement a tout figé tel que c’était juste avant l’arrêt. Il s’agirait d’une
photographieinstantanée,cequibiensûrn’estpastoutàfaitlecas.Pourd’autres,
onauraitainsi«gelé»enquelquesortelecombustibleavantl’observation.Decette
observationdel’objettelqu’ilauraitétéenpuissance,ondéduitalors,parexemple,
quel’existencedebullesdegazobservéesauxjointsdegrainestlamanifestationdu
blocage ouduralentissementdelasortiedesgazdelacristalliteetdelamigration
2Devenu AREVAaujourd’hui.4 Corrosiondescircuitsprimaires…
des gaz inter- et intra-granulaires. Un peu comme si, parce qu’il gelait à pierre
fendre, je déduisais automatiquement que les roches qui se fendent, piégeaient
l’eauetétaientdonc,avantlegel,étanchesouentoutcasn’enpermettaientpasla
circulation.
Àpartirdecesobservations,unesimpleconstructionverbaledecequipourrait
se passer dans le domaine sous-jacent sera parfois proposé et baptisé
pompeusement«théorie»sansdonnerlieuàunsystèmed’équationsdoncàunvraimodèle
quiestunmoyensûrdevérifierqueladitethéorieestcompatibleavecl’observation.
Pourtant,danscertainscas,ladescriptionestsiprécisequel’onpourraitcroireque
le chercheur revient d’un voyage à Lilliput, et a pu ainsi se faufiler au milieu des
molécules et/ou des atomes et nous rapporte donc ce qu’il a vu. Ce sera souvent
invérifiable mais impressionnerale non-spécialiste.
N’oublionspasqu’unethéoriedoitêtrecontrainteparlesloisnaturellesetune
étudeapprofondiemontrerasouventquelesexplicationsproposéescomportaient
desimpassesauniveaudelaphysique.Lephénomènesera(serait)alors réfutable
au prix d’un effortd’analyse.
Pourtantleditphénomènes’ilnemèneàrienaprèsquelquestempsd’études,est
rarementremisencauseparsoninventeurouseshéritiersquipréfèrentpenserque,
s’il n’a pas fait progresser la connaissance, c’est parce que nous ne le connaissons
pasencoreassezbien,quenosoutilsd’observationsontétéjusqu’icitropgrossiers.
Ilsvontdoncessayerd’utiliserdesoutilsd’investigationstoujourspluspuissants
(microscopes de toutesorte – MET, MEB àeffetde champ, Force atomique, etc. –
sondes, rayonnement synchrotron, etc.). Comme si la marche vers la vision de
l’infinimentpetitouvrait forcémentdesportes?Quand nousverrons l’atometout
seul (etrefroidi),va-t-ilnous donnerla solution (lesecret)du mécanisme?
On entend pourtant dire que les modèles dans les années 1970-1980 étaient
à l’échelle du centimètre ou du millimètre, qu’on est ensuite passé à l’échelle
micrométrique et qu’il faut aller maintenant versl’échelle nanométrique voire de
l’angström. Or les concepts et les conclusions valables à une échelle ne sont pas
forcément valables à toutes les échelles. C’est un principe essentiel en physique :
décrire l’eau du circuit primaire d’un réacteur à l’échelle nanométrique avec des
molécules et des atomes distincts est de peu de secours dans la description du
liquide à l’échelle macroscopique homogène et uniforme et pour l’analyse de sa
température, de sa viscosité, de ses changements de phase. Le déterminisme ne
3signifie donc pas que nous devons prédire obligatoirement le comportement de
chaquemoléculedusystèmeétudiémaisquel’ensemblepeutêtredécritentermes
de propriétés moyennes(température,coefficient de diffusion, masse volumique,
viscosité,etc.).
Autre attitude pour tenter de percer le mystère qui nous occupe : multiplier
soit les observations et les examens, soit les expériences mais en se concentrant
sur l’objet ou l’événement enespérant extraire la preuve de sa « culpabilité ». On
cherche rarement à quantifier ledit effet ou à identifier le chemin qui y mène.
3Je ne rejette pasdes efforts faits à partirde calculsmoléculaireset ab initioqui sont déjà fort utiles
mais ne permettent pas,aujourd’huidu moins, defaireles calculsdepropriétésmacroscopiquesdont
on abesoin.Avant-propos 5
On cherche plutôt quelque chose de complexe ou d’étrange sous son instrument
quipermettrad’incriminerl’objetétiquetéetlatendancegénéralepourexpliquer
un fait est de chercher « un bouc émissaire ». Dans le domaine du transport des
produitsdecorrosionradioactifsdanslescircuitsdesREPetdelacontaminationqui
enrésulte,leboucémissairefuttouràtour,lasolubilitédesferritesdenickel,l’usure
oulacorrosiondesstellites,lescolloïdes,leschargesdesurface,l’étatdesurface,la
compositiondesmatériaux,etc.Commeaucunboucémissaire,seul,n’étaitcapable
d’expliquertouteslesobservations,lesdifférentssujetsdisparaissaientetrevenaient
finalement,tour àtour, sur le devantde
lascène.
Lacomplexitédesphénomènesasouventpouroriginelesinteractionsetlesré-
troactionsalorsquelesmécanismesdebasesont,engénéral,simpleset/ouconnus
(conservationdelamasse,convection,diffusion,gradientdeconcentration,activation,décroissance,etc.).Ladémarchescientifiquegarantedesprogrèsscientifiques
consiste justementà« leverle voile de la complexité ».
Dans l’exemple que je cite, presque tous les phénomènes cités jouent à un
moment ou un autre un rôle dans la contamination en produits de corrosion des
4REP etinteragissententreeux . C’estlàqu’intervientlamodélisation.
Il faut donc se lancer dans la fabrication de « vrais » modèles, c’est-à-dire des
constructions mathématiques qui, avec les commentaires, limites et restrictions
appropriés, permettentde décrire etde simuler les phénomènesobservés.
L’ambition de ce livre est donc d’être utile aux générations futures. A minima,
ildevraitleurfairegagneruntempsprécieuxcarilproposeuncertainnombrede
5référencesà des publications etcommunications ; le tri est donc déjà(en partie)
fait.
Maisilneserajamaisqu’unpassagedetémoinetildevralui-mêmeêtresuivipar
unautreouvrageprenantencomptelesderniersdéveloppementsdelatechnique,
à condition bien sûr que les filières de réacteurs n’aient pas trop évolué. Il est
certain que dans le cadre de Génération IV, que les réacteurs soient refroidis par
du sodium liquide ou du gaz,desouvrages totalementnouveauxseront à écrire.
Avertissement
Certaines idées ou positions prises dans ce document sont celles de l’auteur
et n’engagent que lui. Elles ne peuvent en aucun cas être imputées et encore
moins reprochées au CEA même si l’auteur y a fait toute sa carrière et doit
beaucoup à cetteinstitution.
4Ilspeuventmêmeagirsurl’hydromécanique,lathermique,ladistributiondefluxneutronique,ce
qui auraen retour uneréaction surcette contamination.
5Danslesquellesonpourratrouverd’autresréférences.7KLVSDJHLQWHQWLRQDOO\OHIWEODQNIntroduction1
C’esten1943,pourlepremierprojetdeconstructionderéacteursàgrandeéchelle,
que l’eau a été choisie comme caloporteur sur la base de maigres informations
concernantenparticulier son comportement sous irradiation.
En raison de son faible coût et de son efficacité, l’eau est aujourd’hui
largement utilisée comme réfrigérant, modérateur et protection de plusieurs types de
eréacteurs. En ce début du xxi siècle, les réacteurs à eau légère (REL) sont de
loin les plus répandus comme le montre le tableau 1.1. Les réacteursà eau légère
pressurisée (REP) représentent à eux seuls 65 % de la puissance installée dans le
monde. Si l’on ajoute les réacteurs à eau lourde pressurisée du type Candu qui,
en termes d’exploitation, sont très similaires, en particulier sur le plan de la
corrosion, la proportion atteint 70 %. Enfin, si nous considérons tous les types de
réacteurs modérés et refroidis par l’eau, c’est-à-dire incluant de plus les réacteurs
à eau bouillante (REB), on voit qu’ils représentaient début 2006, plus de 90 %
des réacteurs de puissance. La situation n’a guère évolué depuis cette date. En
effet,d’après l’AIEA, au premier janvier 2010, le nombre de réacteurs en
opération
avaientlégèrementdiminué(437aulieude443)tandisquelacapacitédeproductionavait,elle,trèslégèrementaugmenté(371GWeaulieude369,5),cequimontre
que les réacteurs mis en service sont plus puissants que ceux arrêtés. Et parmi les
réacteurs récemment mis en service ou en construction, même si la proportion
entrefilièresobservéesdansletableaun’étaitpasrespectée(principalemententre
REP etVVER),presque tous sontdes réacteursà eau.
Précisons que 56 réacteurs étaient en construction au début de l’année 2010
et que, comme on le sait, l’accident de Fukushima a conduit à plusieurs arrêts de
réacteurs, notamment au Japon bien sûr, mais aussi en Allemagne et en Suisse.
Mais on constate que la plupart des pays envisagent ou ont décidé de maintenir
l’usageoumêmeledéveloppementdunucléaire;enEurope,16paysontconfirmé
ce choix.
En France,plusieurs filièresderéacteursfurentdéveloppées:
– 9 réacteursgraphite-gaz(UNGG) aujourd’hui déclassés;
– 1 réacteur gaz-eau lourde construit à Brennilis en Bretagne, aujourd’hui en
phase ultime de démantèlement;8 Corrosiondescircuitsprimaires…
Tableau 1.1. – Principaux types de réacteurs de puissance en fonctionnement au
31/12/2005.
Type des réacteurs Nombre Pourcentage Puissance en Pourcentage
% MWe %
REP ou PWR 214 48 205 375 55,6Réacteurs
àeausous VVER 53 12 35710 9,6
pression Total REP* 267 60 241 085 65
Eau REB 94 21 84427 22,8%
bouillante (BWR+ABWR)
Eau légère Total REL 361 81,5 325 512 88
Eau lourde PHWR 41 20933
Pressurisés Eau 308 69,5 262 018 70,9
lourde + légère
Réacteurs Total 402 90,7 346 445 93,7
àeau
Réacteurs 22 4,9 10664 2,88
gaz
LWGR 16 3,6 11404 3,08
Réacteurs 3 0,67 1 039 0,28
rapides
TotalRéacteurs 443 369 552
∗ : sanslesréacteursembarqués.
– 2 réacteurs à neutronsrapides etcaloporteur sodium, Phénixréacteur
expérimentalmaisnéanmoinsproducteur d’électricité(arrêtéen2009)
etSuper1phénix(arrêté en1997) .
Tous ces réacteurs, on le voit sont aujourd’hui arrêtés et il reste en
fonctionnementles58réacteursàeaupressurisée(REP)auxquelsilfautajouter2EPR
(European Pressurised water Reactor),unenconstruction àFlamanville (Manche)etunen
projet (?) àPenly.
Ladominationdesréacteursàeaudureraencorequelquesdécennies,pourtant
l’eau présentedesinconvénients,liés àsa nature.
D’abord, dans le processus de transportdelachaleurdesasource(lecœurou
les éléments combustibles) vers la zone d’échange (les générateurs de vapeur ou
GV), l’eau véhicule également des produits solides (particules) et solubles (ions)
qui peuventconduire àdes dépôtsetéventuellementdes gazqu’il fautéliminer.
Ensuite, le phénomène de ralentissement des neutrons est malheureusement
accompagné par la capture d’une partie de ces neutrons (et quelquefois de
protons),cequi produit descorps radioactifsgénéralementindésirables(saufpour la
fabrication d’isotopes radioactifs pour lamédecine et l’industrie).
1DanslecadredeGénération4cependant,lesréacteurssurgénérateursàneutronsrapidesrefroidis
au sodium liquide reviennent fortement sur le devant de la scène et la construction d’un nouveau
prototype,ASTRID,estprévusurlesitedeMarcouleen«remplacement»dePhénix.Chapitre1–Introduction 9
L’absorption des rayonnements par l’eau, bien qu’utile pour l’absorption
d’énergieet la fonction protection, estaccompagnée de réactions dissociatives de
la molécule d’eau.
Enfin,l’eauréagitchimiquementavecpresquetouslesmatériauxaveclesquels
elleestencontactdansleréacteur.Ilfautdoncprendreencomptetouscesfacteurs
et se débrouiller aveclesinconvénientsqu’ils présentent.
Mais, les propriétés de l’eau ont aussi des aspects très positifs qui permettent
d’améliorer la conception et les performances du réacteur : citons, par exemple,
l’utilisationde«poisonsconsommables»(queloxymore,lesAnglo-Saxonsparlent
pluslogiquementde« burnable poisons»),l’utilisationdelachaleurdevaporisation
principalement danslesréacteursbouillants (REB), etc.
Deplus,lechoixdel’eaucommecaloporteurvabiensûrconditionnerlechoix
des matériaux qui seront en contact avec ce fluide dans le circuit primaire du
réacteurou RCP.
Les principes de ce qui va être exposé sont applicables à tous les types de
REP,qu’ilssoienteuropéens,américains(PWR),russes(VVER),civilsoumilitaires
(chaudièresdessous-marins etporte-avionsnucléaires).
1.1. Principe simplifié du fonctionnement des REP
Les REP contrairement aux bouillants (REB) sont des réacteurs à cycle indirect.
Ils comportent deux circuits distincts (figure 1.1) : le circuit primaire (RCP) qui
extrait l’énergie produite dans le cœur et la transfèreau circuit secondaire,qui la
transforme envapeur puis enélectricité.
DansleRCP,l’eauquijouedonclerôledecaloporteur,miseenmouvementpar
2les pompes, est chauffée au contact du combustible où se produisent les fissions.
Elle passe ensuite à l’intérieur des tubes des générateurs de vapeur (GV) où elle
abandonne lachaleur acquise dansle cœur.
De l’autre côté des tubes GV, l’eau du circuit secondaire à plus basse pression
setransformeenvapeur aucontactdes tubeschaufféspar le fluide primaire.
Lavapeurentraînelegroupeturboalternateurquiproduitl’électricitépuispasse
dansle condenseurpour yêtrerefroidie,condensée etrenvoyéedans le GV.
Lecircuitprimaire desREPsecomposeprincipalement(figure1.2)d’uncœur
situéàl’intérieurdelacuve,d’unpressuriseurquisertàmaintenirlapressiondans
lecircuitàlavaleurvoulueetde2,3ou4générateursdevapeur(GV)etdumême
nombre de pompes «primaires ».
Les principales caractéristiques des différents REP sont données dans
le
tableau1.2.
2Ceciquandleréacteurestenpuissance.Audémarrage,enrevanche,aprèsavoirévacuél’airetl’oxy◦gèneducircuit,latempératuredufluideprimaireestportéeàlatempératured’arrêtchaud(>285 C)
grâceauxpompesprimairesquifontcirculerl’eauàgrandevitesse viale«frottement»del’eausurles
parois.10 Corrosiondescircuitsprimaires…
Figure1.1.– Principe de fonctionnement des REP.
CHAUDIERE NUCLEAIRE REP
PRESSURISEUR
MECANISMES DES
GENERATEURS DE
GRAPPES DE
VAPEUR
CONTROLE
GROUPE MOTO-POMPE
Primaire
Branche
chaude
CUVE DE REACTEUR
EQUIPEMENTS
INTERNES Tuyauterie
Froide
Branche en U
INSTRUMENTATIONEléments
DU COEURcombustiblesREF 3 Boucles type FRA
Figure1.2.– Schéma d’une chaudière REP.
1.2. Spécificités des composants
nucléaires
Ellessontliéesauxconditionsdeservice,soituneduréedevielongue(40à60ans)
etuntauxdecharge(marche)élevéenraisonducoûtquereprésentel’indisponibilité d’un réacteurde production.Chapitre1–Introduction 11
Tableau1.2.– Principales caractéristiques des REP enFrance.
Principales caractéristiques unités 900 MWe 1 300 MWe N4 EPR
Puissance thermique MW 2785 3 817 4 250 4 250/4 500 électrique MW 880/915 1 320 1 450 1 500/1 600
Rendement % 31,7/333 35 35,8 36
Nb boucles primaires 3 4 4 4
Nb d’assemblages 157 193 205 241
Hauteur active cm 366 427 427 420
Taux de combustion* GWj/t 45** 45** 45** > 60
Puissance linéiquemoyenne W/cm 182 171 184 159-168
Pression secondaire bar 58 64,8 71 78
Durée devietechnique ans 30/40 40 40 60
∗ Tauxdecombustionmoyen desrecharges.
∗∗ Tauxdecombustionmaximumautoriséaujourd’huiparl’AS.
Les composants doivent de plus avoir une bonne résistance à la corrosion en
raison ducontact avecle fluide caloporteur
dontlesteneursenimpuretéssontsérieusementcontrôléespourévitertoutrisquedecorrosionfissuranteetunebonne
résistanceauxvibrations duesauxeffetshydrodynamiques
engendrésparlacirculation desfluides caloporteurs.
Enfin laprincipale spécificité estliée à unenvironnementparticulier
auxréacteurs nucléaires : l’irradiation. Celle-ci, en effet, est à l’origine de la fragilisation
des aciers de construction, le gonflement et la diminution de la ductilité et de la
résistanceaufluagedesaciersinoxydables;ellecomplique
lesconditionsd’exploitationenraisondel’activationd’élémentsspéciaux,tellecobaltquisetransforme
encobalt 60à (relativement)longue durée de vie (T
=5,27ans).
Lessollicitationsquis’exercentsurlesmatériauxetquiinduisentleurvieillissementsontrésuméessur la figure1.3.
Toutescesspécificitésetsollicitationsinduisentdesexigencestraduitespardes
critèresditstechnologiques donnés ci-dessous :
– les épaisseurs des tuyauteries et des enceintes seront conditionnées par la
pressiondefonctionnementetl’utilisationdematériauxàhauterésilienceet
ténacitéestrequise. Ils doivent êtreégalementfacilement soudables;
– ilfautdisposerd’unemargevis-à-visdufluageetcelaimposedestempératures
◦(de calcul) de parois etde structures,inférieuresenpratique à375 C;
– le risque de rupture fragile de la cuve qui est une fonction décroissante de
l’irradiation impose, elle, une limite enpression;
– afindelimiter leschocs thermiques,le gradientdetempératureàl’intérieur
◦ ◦du circuit estlimité à 40 C(T< 40 C);
– lerisquedecorrosionsouscontrainte(CSC)destubesgainesetdestubesGV
◦impose de resterendessousde 330 Censortiedecœur;
– afinderéduirelafatiguedescomposants,lesvitessesdemontéeetdedescente
◦entempératuredoiventdemeurerinférieuresà 56 C/h.218 Corrosiondescircuitsprimaires…
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