Une raction en chane et son contrle, ou la vie dun racteur nuclaire

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Une réaction en chaîne et son contrôle, ou la
vie dun réacteur nucléaire
MATGEN-IV Cargèse, Sept.-Oct. 2007
Jean-Marc Cavedon Dr 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 -gt 2
  fragments de fission inégaux 2-3 neutrons
  rapides

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Franchir la barrière de fission un
investissement qui rapporte jusquà 8 milliards
de fois sa mise
quelques MeV

• Barrière à franchir pour luranium 5 Millions
  deV
• Pour luranium-235 1/40 deV suffit à franchir
  la barrière
• Energie restituée 200 Millions deV

200 MeV
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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 dannées
• 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 k88 hepf

• Combustible noyau lourd
• Moderateur noyau léger

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Contrôle de la réaction en chaîne
f
p
h

• 1 000 neutrons absorbés
• 1 000 neutrons produits

e
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Réacteur isotope fissile neutrons
modérateur caloporteur matériaux systèmes
de sûreté

• Combustible contient lisotope fissile et
  dautres
• Neutrons induisent la fission lorsquils 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
  daccidents graves éventuels

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Filières de réacteurs choix possibles
45360 !
3 x 2 x 3 x 3
x 7 x 5 x 4
x 6
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Filières actuelles et prochaines 2x2 choix
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
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Reactors operating worldwide (end 2005)
16
Réacteur à Eau sous Pression
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Principe du réacteur nucléaire
Containment
Turbine
Generator
Cooling tower
Fuel
Condensator
Cooling water
Coolant
Pump
Pump
Reactor pressure vessel
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Stabilité et contrôle

• Lexistence de neutrons retardés (fractions de
  seconde) suffit à donner le temps dagir 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
6 s

• 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

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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 lingénierie 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 k1
• Darrêt durgence
• 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 lingénierie 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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Accident de fusion de coeur
Containment
Turbine
Generator
Cooling tower
Fuel
Condensator
Coolingwater
10-5
Kühlmittel
Pump
Pump
Reaktordruckgefäss
Grundbegriffe
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EPR Compartiment détalement du coeur fondu
Quelle AREVA, 2006
27
EPR Rétention et refroidissement du coeur fondu
Quelle AREVA, 2006
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Disposition et séparation des 4 systèmes de sûreté
Division 3
Division 2
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)
CCWS SIS / RHRS EFWS
CCWS SIS / RHRS EFWS
Control room
Division 1
Division 4
CCWS SIS / RHRS CHRS EFWS
CCWS SIS / RHRS CHRS EFWS
SL FW
SL FW
FPCS EBS
FPCS EBS
Protection against aircraft crash
Fuel pool
Quelle AREVA, 2006
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Olkiluoto, Finland
Quelle TVO, 2007
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Remarques conclusives

• La vie dun 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 dénergie 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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Merci de votre attention
MATGEN-IV Cargèse, Sept.-Oct. 2007