Matériaux pour le récupérateur de corium

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1 Matériaux pour le récupérateur de corium Pascal Piluso, Christophe Journeau CEA-Cadarache/DTN 1

2 Plan de la présentation 1. Progression du corium dans un RNR-Na lors d un accident grave 2. Le récupérateur de corium d ASTRID 3. Études de R&D pour les matériaux 4. Conclusion 2

3 1. Progression du corium dans un RNR-Na lors d un accident grave 2. Le récupérateur de corium d ASTRID 3. Études de R&D pour les matériaux 4. Conclusion 3

4 Phénoménologie : déroulement AG et cheminement du corium Déroulement de l accident de référence SPX: ULOF Phase primaire: Ebullition Na, Excursion de puissance, Fusion et éjection combustible dans le tube hexagonal, température élevée pour combustible (T>2500K)=> formation de corium Phase de transition: propagation du corium Phase d expansion: interaction corium-na, fragmentation corium, vaporisation/détente matériaux Phase secondaire: formation d un bain fondu; propagation corium écupérateur hors zone cœur Phase post accidentelle 4

5 Phénoménologie corium-récupérateur Comportement du corium sur le récupérateur Etalement du lit de débris (par gravité ou ébullition Na interne) Formation d un bain fondu Convection dans le bain Formation croûte Ségrégation possible des phases Etalement Corium (Kyushu Univ.) Impact jet sur récupérateur Interaction corium-matériaux récupérateur Absorption d énergie thermique (favorisé si changement de phase) Formation de mélanges Modification Tliquidus Espèces gazeuses Entrainement corium Dilution combustible Présence de phases UO2-B4C à l équilibre 5

6 Phénoménologie associée au récupérateur Neutronique Risque de criticité prompte: accumulation, ségrégation Thermique Refroidissement du lit de débris Convection dans le bain fondu Essais bain liquide Bafond ( ): surflux haut paroi latérale Répartition flux haut/bas/parois Refroidissement du fond et des parois du récupérateur Importance du chemin hydraulique Ecoulements en cuve Thermomécanique 6

7 1. Progression du corium dans un RNR-Na lors d un accident grave 2. Le récupérateur de corium d ASTRID 3. Études de R&D pour les matériaux 4. Conclusion 7

8 Récupérateur Interne Récupérateur placé en fond de Cuve Principale, sous le platelage (+) le maintien de l intégrité de la cuve principale, (-) la distance nécessaire entre la zone de fusion et le récupérateur pour fragmenter le jet de corium, (-) la difficulté d accès pour inspection ou intervention de maintenance si nécessaire, (-) le choix et la mise en œuvre du matériau sacrificiel nécessaire en cas de jet de corium 8

9 Récupérateur Externe Récupérateur placé en fond de Puits, sous la Cuve de Sécurité (+) moindre contrainte dans le choix des matériaux et systèmes de refroidissement (+) meilleure accessibilité pour inspection et maintenance, (-) la perte de la deuxième barrière (Cuve Principale + Cuve de Sécurité) nécessité de rétablir toutes les fonctions de sûreté dans le puits de cuve : inertage, protection du béton, ajout de circuits de refroidissement dédiés au récupérateur, etc. 9

10 Récupérateur Inter-Cuves Récupérateur placé entre la Cuve Principale et la Cuve de Sécurité Cuve de Sécurité posée sur le fond du Puits de Cuve Brevet du CEA, déposé le 3 février 2011 : «Dispositif récupérateur de corium dans l'inter-cuve d'un réacteur nucléaire et réacteur nucléaire mettant en œuvre un tel dispositif» (+) maintien de la deuxième barrière (cuve de sécurité protégée par le récupérateur) (+) moindre contrainte dans le choix des matériaux et systèmes de refroidissement (+) meilleure accessibilité pour inspection et maintenance, (-) augmentation du volume inter-cuve pouvant entraîner une baisse du niveau libre de sodium conséquente en cas de fuite de la cuve principale installation de composants DHR spécifiques dans l inter-cuve, et confinement de la zone inter-cuve. 10

11 Etudes nécessaires pour chacun des 3 concepts Nature du corium Important pour les 3 concepts Composition chimique et interaction avec le sodium Température Scénario de cheminement et d arrivée du corium sur le récupérateur Important pour les 3 concepts, critique pour le Récupérateur Interne Etudes de moyens permettant de diriger le corium vers le récupérateur via des chemins privilégiés Dispositions pour favoriser la fragmentation du jet de corium avant arrivée sur le récupérateur Matériaux utilisés, en particulier matériau(x) sacrificiel(s) Important pour les 3 concepts, critique pour le Récupérateur Interne Rôle du (des) matériau(x) sacrificiel(s) (protection contre l ablation, protection thermique, maintien en condition sous-critique) fortement fonction du scénario évoqué ci-dessus Choix du (ou des) matériau(x) sacrificiel(s) à mettre en place suivant l environnement, en particulier dans le cas d un Récupérateur Interne (risque de pollution du sodium primaire pendant les 60 ans de durée de vie du réacteur) Choix du matériau de structure et du plateau compatible avec les charges mécaniques et thermiques, ainsi que la possibilité de refroidissement si la convection naturelle au niveau de la surface du corium s avérait insuffisante 11

12 1. Progression du corium dans un RNR- Na lors d un accident grave 2. Le récupérateur de corium d ASTRID 3. Études de R&D pour les matériaux 4. Conclusion 12

13 Méthodologie appliquées pour les matériaux du récupérateur 1. Fonctionnalités attendues pour la sûreté du réacteur 2. Sélection des matériaux 1. Propriétés intrinsèques (en fonctionnement normal, en conditions d accidents graves) 2. Propriétés extrinsèques (en fonctionnement normal, en conditions d accidents graves) 3. Détermination des données expérimentales manquantes 4. Fabrication et mise au point des procédés de fabrication des matériaux à l échelle laboratoire («Sciences des matériaux») 5. Qualification des matériaux à l échelle laboratoire/propriétés intrinsèques/extrinsèques 6. Fabrication et mise au point des procédés de fabrication des matériaux à l échelle des besoins du réacteur («Génie des matériaux») 13

14 1.Fonctionnalités attendues pour la sûreté du réacteur Eviter le risque de recriticité A mélanger le plus tôt possible avec le corium (majoritairement UO2) Etalement dans un récupérateur de grande dimension =>Elimination du risque. Protéger le récupérateur Jet de corium Jet d acier surchauffé Favoriser l étalement du corium dans le récupérateur Disposer d un délai avant d avoir besoin d évacuer la puissance résiduelle Abaisser la température du bain de corium afin de Réduire la vaporisation de produits de fission Éviter l ébullition de l acier Réduire la densité du corium en dessous de celle de l acier 14

15 2. Propriétés intrinsèques * Critères de sélection Près du cœur Récupérateur Récupérateur interne externe Caractère absorbant ou diluant Absorbant Diluant et/ou Diluant et/ou absorbant absorbant Durée de vie ( 60 ans) Stabilité en réacteur Compatibilité avec le matériau de l enveloppe Température de fusion T f > 900 C Température d ébullition T eb > 2800 C Chaleur spécifique? C p élevée, > 2, J/m 3 / C Enthalpie de fusion??h f élevée, > 4, J/m Masse volumique kg/m 3 <? <?(masse fissile) Compatibilité avec le sodium Absence de lacunes de miscibilité avec la masse fissile Eutectique avec la masse fissile < 2880 C < 2150 C < 2150 C Stabilité du mélange avec le corium (* : thèse de K. Plevakova) 15

16 2. Matériaux envisagés/propriétés intrinsèques Carbure : B 4 C Le meilleur absorbant neutronique (enrichissement en 10 B) Bien connu dans les réacteurs à neutrons rapides Miscibilité avec matière fissile? Vaporisation Oxydes : Al2O3 Eutectique avec UO2 à T < 2000 C Fusion et étalement du corium favorisés Compatibilité avec le sodium si sans SiO 2 Prix faible Al2O3 HfO2 ou Al2O3 Eu2O3 Propriété d absorption neutronique Abaissement de T liquidus étalement favorisé Renforcement mécanique Métal : Hf Dissolution dans la phase oxyde Formation d HfO 2 et d UO 2-x par réaction d oxydo-réduction Possibilité de réduire en métal du combustible oxyde Compatibilité avec un combustible carbure ou métal? 16

17 3. Détermination des données expérimentales manquantes Exemple : étude du diagramme de phases ternaire *: UO 2 Al 2 O 3 HfO 2 Résultats Eutectique ternaire identifié : 30%m UO 2 35%m Al 2 O 3 35%m HfO 2 et 1728 ± 22 C (U 1-x Hf x )O 2 Eutectique Al 2 O 3 (* : thèse de K. Plevakova) 17

18 3. Détermination des données expérimentales manquantes Exemple: Interaction UO2 B4C Expériences dans VITI : installation CORIUM haute température (T>2000K) Au delà de 2000 C: 5/6 UO 2 +B 4 C 5/6 UB 4 + CO +1/3 B 2 O 2 Le mélange 91,5%m UO 2 + 8,5%m B 4 C a été chauffé jusqu à 2400 ± 35 C dans un creuset en tungstène Analyses post-test: Analyse DRX de la poudre frittée obtenue: comme prévu calcul thermodynamique, une partie d UO 2 a réagi UB 4 + UO 2 en excès 18

19 Conclusions L emploi de matériaux sacrificiels permet d améliorer la tenue du récupérateur Principalement sur phases transitoires (non criticité, étalement, tenue au jet) Plusieurs matériaux étudiés Choix dépendra de la stratégie de gestion du corium B 4 C UO 2 HfO 2 -Al 2 O 3 Hf Al 2 O 3 Prochaines étapes de R&D : -Détermination des données expérimentales manquantes -Tenue au Na -Base de données thermodynamique incluant le matériau retenu. -Fabrication et mise au point des procédés de fabrication des matériaux à l échelle laboratoire -Qualification des matériaux à l échelle laboratoire/propriétés intrinsèques/extrinsèques -Comportement corium-sacrificiel - Fabrication et mise au point des procédés de fabrication des matériaux à l échelle des besoins du réacteur 19

20 Merci de votre attention

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