Centrale nucléaire de production d électricité. Principes de fonctionnement du cœur.

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1 Centrale nucléaire de production d électricité. Principes de fonctionnement du cœur. F. Ravelet Laboratoire DynFluid, Arts et Métiers-ParisTech 9 octobre 2013 F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

2 Centrale nucléaire de production d électricité Une centrale électrique... Centrale au charbon (Belgique) avec une source chaude un peu particulière. Centrale nucléaire de Golfech (Tarn et Garonne) F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

3 Fonction des composants du cœur d un réacteur nucléaire. Matières fissiles et fertiles (combustible) ; Caloporteur (évacuation de la chaleur) ; Modérateur (éventuellement, pour favoriser les fissions) ; Absorbant neutronique (contrôle de la réaction en chaîne). F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

4 Une technologie relativement récente, soutenue par une R & D active. Le choix d une combinaison Combustible / Modérateur / Caloporteur constitue une filière ou famille de réacteur. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

5 Noyaux atomiques. Atomes : noyau + cortège électronique (réaction chimiques, interactions électromagnétiques) ; Noyau : nucléons (protons et neutrons, interactions nucléaires fortes) ; Eléments et isotopes : A Z X est l isotope A de l élément X, caractérisé par Z protons et A nucléons ; Sur terre : 92 éléments et 287 noyaux naturels. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

6 Stabilité des noyaux. Tous les isotopes ne sont pas stables ; Nombre d isotopes observés à l état naturel : 2 à 3 par élément ; Existence d une vallée de stabilité. Pourquoi? Comment regagne-t-on la stabilité? F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

7 Energie de liaison. Energie de masse E = mc 2. Energie de liaison : énergie à fournir pour briser une liaison. Lien entre défaut de masse et énergie de liaison : Masse du proton : m p = MeV.c 2 ; Masse du neutron : m n = MeV.c 2 ; Masse du noyau d Hélium 4 2 He (particule α) : m α = MeV.c 2. Modèle de la goutte. B(A,Z) = av A as A 2/3 ac Z 2 (A 2Z)2 aa A1/3 A + δ ap A 1/2 1 av A : terme de volume (liaison aux voisins) ; 2 as A 2/3 : terme de surface (moins de voisins en surface) ; 3 ac Z 2 : terme coulombien (répulsion entre protons) ; A1/3 4 aa (A 2Z)2 A : terme d asymétrie (effet quantique lié au spin) ; 5 δ ap : terme de parité (formation de paires). A1/2 F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

8 Principaux modes de désintégration. Un noyau instable va se transformer en un noyau plus stable (transmutation). Cette réaction s accompagne d un dégagement d énergie. Il y a principalement deux modes : Mode β( ± ) : dans le noyau, 1 0 n 1 1 p + e + ν e. Energie typique 0.5 MeV (masse de l électron) ; Mode α : A Z X A 4 Z 2 Y +4 2 He. Energie typique 4/8 MeV. Accompagnée ou non de rayons γ, présence d un seuil pour le mode β +,... Exercice Rn se désintègre par radioactivité α. Energie cinétique des éléments émis : 5.96 MeV, 5.89 MeV ou 5.72 MeV. 1u MeV.c 2. Masse du noyau de Radon : u. Masse du noyau fils : u. Masse du noyau d Hélium : u. Loi de décroissance radioactive. Un noyau instable a autant de chances de se désintégrer à un moment donné qu un autre noyau identique ; Cette probabilité est indépendante du temps (ne dépend pas de l âge ). On a alors une loi de décroissance exponentielle, dont le temps caractéristique dépend du noyau considéré. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

9 Grandeurs et unités caractérisant les rayonnements ionisants. Grandeur Unité Définition Remarque Activité Becquerel 1 dés. par seconde Très petit Dose Gray 1 J.kg 1 Ne prend pas en compte le type de rayonnement Dose équivalente Sievert Pondération Pour le vivant Débit de msv/h dose F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

10 Réaction provoquée par capture de neutron. En haute atmosphère, 1 0 n N 1 1 p C 14 6 C est radioactif β (156 kev, période 5700 ans). Premier élément artificiel : 1 0 n U 2β Pu Réaction de fission. Certains noyaux lourds et fragiles se cassent en deux fragments à la suite de la capture d un neutron ; Dégagement d énergie (exercice applicatif) ; Deux à trois neutrons libres : possibilité d entretien des fissions ; Noyaux fissiles : U, 92 U, Pu et 94 Pu ; Noyaux fertiles : U et 90 Th. Pourcentage Br, Kr, Zr I, Xe, Ba A Distribution statistique des produits de fission pour U. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

11 Aspects statistiques de la fission, réacteurs à neutrons rapides et réacteurs nécessitant un modérateur. La probabilité de fission dépend de l énergie du neutron incident : neutrons rapides (2 MeV) : réactions utiles favorisées, transmutations des actinides, possibilité de surgénération. Mais peu d interactions : combustible fortement enrichi ; neutrons lents (0.1 ev) : plus d interactions, possibilité d employer un combustible peu ou pas enrichi. Nécessité d un modérateur (ralentisseur de neutron). Section efficace (barns) Eq. Thermique 573K capture fission Neutron issu de fission Energie du neutron incident (ev) Sections efficaces pour U. Destin d un neutron issu de fission dans un réacteur à neutrons lents. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

12 Modérateurs et absorbeurs de neutrons. Modérateurs Eau lourde (deutérium) : très efficace, absorbe peu les neutrons. Permet l emploi d Uranium naturel, mais très rare ; Graphite : modérateur efficace, absorbant peu les neutrons. Mais doit être ultra-pur (cher), problèmes potentiels de tenue sous irradiation, et découplage caloporteur/modérateur peut poser problème ; Eau légère : modérateur efficace, disponible en grande quantité à faible coût. Absorbe légèrement les neutrons nécessité d un enrichissement. Absorbeurs Solides : barres de contrôle en Argent-Indium-Cadmium ou en Carbure de Bore B4C ; Liquide : Bore sous forme d acide borique ; Produits de fission : Xénon, empoisonnement, mais disparait : attention lors de l arrêt! F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

13 Caloporteurs. Eau légère Sodium liquide Gaz sous pression Température maximale (rendement) (limitée par ébullition et corrosion) Transfert thermique (capacité calorifique et conductivité thermique) (hautes pressions, fort débit haute puissance de soufflage) réactions avec les neutrons (absorption, forte modération neutrons lents) (faible absorption, faible modération neutrons rapides possibles) (ni absorption ni modération) neutrons rapides possibles) Problèmes d ordre technologique (corrosion, étanchéité) (corrosive à haute température) (pas de corrosion, faibles pressions) (problèmes d étanchéité) Transparence (opaque) Sûreté (Risque de vaporisation) (très réactif avec l air, l eau, le ciment... ) (Risque de depressurisation) F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

14 Enrichissement de l Uranium. Uranium naturel : 99.3% d Procédés : Uranium légèrement enrichi (SEU) : 2% ; 235 U et 0.7% d 235U en masse. Enrichissement : augmentation de la teneur en Uranium faiblement enrichi (LEU) : 3% à 5% ; Uranium hautement enrichi (HEU) : 20%, pour la propulsion navale ; Uranium de qualité militaire : plus de 90%. 92 Diffusion gazeuse. Première méthode déployée à échelle industrielle, énergivore, tend à disparaître ; Centrifugation. Réclame 50 fois moins d énergie. Principaux acteurs, par ordre : Russie ; Etats-Unis ; Allemagne/ Pays-Bas/ Royaume Uni ; France ; Chine ; Pakistan, Brésil, Iran, U F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

15 Principales filières. Filières Combustible Modérateur Caloporteur En marche Construction Arrêtés (2011) (2010) ( ) GWe # GWe # GWe # UNGG, Magnox, AGR Uranium naturel Graphite Gaz carbonique CANDU Uranium naturel Eau lourde Eau lourde RBMK Uranium enrichi (1.8%) Graphite Eau bouillante REB Uranium enrichi (3%) Eau Eau bouillante REP, VVER (Russe) Uranium enrichi (3%) Eau Eau liquide RNR Uranium enrichi, Plutonium Sodium liquide Total Pays En marche Construction Arrêtés (2011) (2011) ( ) GWe # % GWe # GWe # 1. Etats-Unis France Japon Russie Corée du Sud Ukraine Canada Allemagne (5è en 2010) Chine (11è en 2010) Royaume-Uni pays F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

16 Réacteurs à eau sous pression. Eau ordinaire : caloporteur et modérateur ; Maintenue liquide à 155 bars ; Générateur de vapeur, circuit secondaire. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

17 Réacteurs à eau bouillante. USA, Japon, Suède, Allemagne. Eau ordinaire : caloporteur et modérateur ; Pression 80 bars, ébullition dans le cœur ; Détente directe. Meilleur rendement. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

18 CANDU. Canada, Inde, Roumanie. Eau lourde : modérateur et Eau lourde sous pression dans tubes de force : caloporteur ; Rechargement en marche possible. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

19 Ge ne ration IV. Forum international, 12 pays. 6 concepts retenus : Re acteur nucle aire a tre s haute tempe rature, Re acteur a eau supercritique, Re acteur nucle aire a sels fondus, Re acteur a neutrons rapides a caloporteur gaz, Re acteur a neutrons rapides a caloporteur sodium (ASTRID), Re acteur a neutrons rapides a caloporteur plomb. F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

20 F. Ravelet (Lab. DynFluid) Fonctionnement du cœur 9 octobre / 20

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