Fonctionnement d’un Réacteur à Eau Pressurisée (REP)

Fonctionnement d’un Réacteur à Eau Pressurisée (REP)

Les Réacteurs à Eau Pressurisée (REP) constituent actuellement l’ensemble du parc de réacteurs nucléaires français. Un schéma de principe de fonctionnement des REP est présenté Figure I.1.1. Il est composé de deux circuits d’eau isolés l’un de l’autre, nommés circuit primaire et circuit secondaire. Au sein du circuit primaire, la chaleur produite par réaction de fission nucléaire du combustible est transférée par le circuit d’eau primaire. L’eau du circuit primaire possède donc un rôle caloporteur. L’ajout d’additifs lui confère un rôle pour la modération de la puissance neutronique. La température de l’eau du circuit primaire varie entre 280°C en amont de la cuve à 320°C en aval, suite au transfert de chaleur au travers de la gaine combustible. Elle reste à l’état liquide du fait de sa pression avoisinant les 155 bars. La chaleur est ensuite transmise à l’eau du circuit secondaire via les générateurs de vapeur. La vapeur ainsi produite entraîne des turbines qui génèrent un courant électrique. Pour finir, la vapeur condense au moyen d’un dernier système d’échange thermique au contact d’une source froide (rivière, mer, aéroréfrigérant…) afin de retrouver son état liquide. Le rendement global théorique de conversion de chaleur en électricité d’une telle installation est d’environ 36% [Honorio et al., 2003].

La chaleur nécessaire au chauffage de l’eau du circuit primaire est produite par le combustible nucléaire (dioxyde d’uranium UO2 enrichi, MOX1 ) sous forme de pastilles (hauteur de 1,5mm pour un diamètre de 8,2mm) empilées au sein de la gaine combustible. Ses dimensions sont typiquement d’un diamètre de 9,5mm, d’une épaisseur de 570µm pour une hauteur de 4m et l’ensemble est rendu étanche par soudage d’embouts. L’ensemble pastille-gaine est appelé crayon combustible. Ces crayons sont assemblés au sein d’une structure composée de grilles de maintien ainsi que de tubes guides. Ces derniers permettent en outre la descente des barres de contrôle du réacteur. Cette structure permettant la tenue mécanique de l’ensemble est appelée assemblage combustible et peut contenir jusque 264 crayons. Selon la puissance du réacteur, le cœur peut contenir jusqu’à 250 assemblages combustible. On représente Figure I.1.2 un crayon ainsi qu’un assemblage combustible. Ainsi, le gainage combustible doit assurer le maintien de la colonne combustible, évacuer la chaleur du combustible vers le fluide caloporteur et garantir le confinement du combustible ainsi que ses produits de fission [Mardon, 2008]. Il constitue la première barrière de confinement. Le circuit primaire et l’enceinte en béton constituent respectivement la seconde et la troisième barrière de confinement.

Le gainage combustible

Composition du Zircaloy-4

En fonctionnement nominal, les gaines sont soumises à des chargements mécaniques (pression extérieure du fluide caloporteur et pression interne exercée par l’Hélium et les gaz de fission), une température élevée, l’irradiation, des interactions physiques avec l’eau et le combustible.

Ainsi, le choix a été fait dans les années 1947, dans le cadre du développement de la propulsion nucléaire de sous-marins, d’utiliser les alliages de zirconium (relativement abondant dans l’écorce terrestre) comme matériaux de gainage pour leur compromis entre tenue mécanique, résistance à la corrosion, bonne stabilité des caractéristiques sous irradiation, conductivité thermique et surtout leur faible section efficace de capture des neutrons thermiques [Barberis, 2016]. Ces alliages sont produits à partir du zirconium pur, élément de numéro atomique 40 qui existe sous deux variétés allotropiques :

– Une phase α, de maille élémentaire hexagonale compacte (paramètres de maille à 25°C : a=3.2331Å et c=5.1441Å [Goldak et al., 1966]) jusqu’à la température de transus de 865°C,
– Une phase β, de maille élémentaire cubique centrée (paramètre de maille à 900°C : a=3.62 Å) jusqu’à la température de fusion de 1850°C,

En 1952, suite à une pollution accidentelle par un acier austénitique, le premier alliage de zirconium voit le jour : le Zircaloy-2. L’emploi des alliages de zirconium pour l’industrie du nucléaire civile se démocratise. S’en suit une série de développements, notamment la diminution du taux de nickel qui permettent la mise au point du matériau étudié dans la présente thèse : le Zircaloy-4 [Barberis, 2016]. Cet alliage est depuis largement utilisé en tant que matériau de gainage dans les réacteurs à eau pressurisée du parc nucléaire français. On notera tout de même qu’il est progressivement remplacé par des matériaux plus récents tels que le Zirlo® ou le M5® qui présentent des propriétés plus intéressantes, notamment en ce qui concerne la résistance à la corrosion.

Les différents éléments d’alliage ont un rôle sur les caractéristiques, notamment chimiques et mécaniques du matériau [Ambard et al., 2009] :
– L’étain, en position substitutionnelle dans la matrice α du zirconium, favorise la résistance mécanique du matériau. Il améliore ainsi la résistance au fluage. Néanmoins il présente un effet délétère vis-à-vis de la résistance à la corrosion,
– L’oxygène, qui occupe les sites interstitiels, possède le même aspect de renfort mécanique sans toutefois affecter la résistance à la corrosion. Son ajout doit être finement contrôlé afin de ne pas rendre le matériau trop fragile i.e. affecter sa ductilité,
– Le fer et le chrome sont présents sous forme de précipités intermétalliques du type Zr(Cr, Fe)2 appelés phases de Laves. Ils améliorent la résistance à la corrosion et limitent la croissance des grains de par leur répartition uniforme dans la matrice et aux joints de grains [Rudling et al., 1985].

Elaboration du gainage combustible

L’élaboration des gaines en Zircaloy-4 est le résultat d’un procédé de fabrication à la suite de l’extraction du minerai de zircon ZrSiO4 mélangé avec l’élément hafnium. Des procédés chimiques sont réalisés afin de séparer le zirconium du silicium puis du hafnium. A l’issue de ces étapes, une éponge de zirconium est obtenue. Des électrodes sont ensuite utilisées pour fondre les éponges avec les différents éléments d’alliage désirés en lingots. A partir de ces lingots, plusieurs étapes successives de forgeage et de traitement thermique sont nécessaires pour mettre en forme les gaines. Ensuite, le matériau subit un filage à chaud entre 600°C et 800°C, qui le rapproche du produit fini, nommé TREX (Tube REduced eXtrusion). Pour finir, le laminage à pas de pèlerin, réalisé à froid, confère au gainage sa géométrie finale. On montre un schéma de ce procédé de formage Figure I.1.5. Du fait de la déformation et de l’écrouissage, ces passes sont entrecoupées de traitements thermiques de recristallisation entre 580 et 800°C. Un traitement thermique final est réalisé entre 450 et 500°C afin d’obtenir le Zircaloy-4 à l’état détendu. Celui-ci permet de relaxer les contraintes internes sans recristallisation de la gaine. On montre Figure I.1.6 une microstructure typique avec des grains allongés dans la direction de laminage selon l’axe du tube (environ 10-20µm) et de taille plus faible dans les autres directions (environ 2-5µm).

Du fait de l’anisotropie intrinsèque de la maille hexagonale compacte α et du procédé de laminage à froid, la gaine à réception possède une texture cristalline marquée. En particulier les axes 〈𝑐〉 de la maille hexagonale sont dans le plan (DR, DT) i.e. perpendiculaires à la direction de laminage. Ils se trouvent en majorité orientés avec un angle compris entre ±20° et ±40° avec la direction radiale des tubes [Tenckhoff, 1988]. Cette orientation est recherchée pour limiter la croissance des tubes sous irradiation et pour son effet favorisant l’orientation des hydrures dans la direction circonférentielle.

Conditions normales de fonctionnement

En fonctionnement normal, ou conditions nominales, la gaine est soumise à un chargement thermomécanique, un environnement chimique particulier et à l’irradiation. En face interne, la gaine est en interaction avec le combustible ainsi que les produits de réaction de fission nucléaire. En face externe, l’environnement de la gaine est au contact de l’eau du circuit primaire. On souhaite décrire ici les différentes interactions de la gaine avec son environnement en conditions nominales puisqu’elles représentent l’ensemble de la durée de vie du gainage au sein du cœur combustible. De plus, les conditions nominales permettront de mieux comprendre les modifications d’environnement et de chargement lors d’un transitoire hypothétique de type APRP, présentées dans le paragraphe suivant. Ainsi, au cours de son utilisation en centrale, la gaine subit :
– Chargement thermique : La température de la gaine est voisine de celle de l’eau du circuit primaire qui varie entre 280°C et 320°C selon l’altitude dans la cuve. Cette température peut localement être plus importante avec des pics à 360°C selon la distance pastille-gaine,
– Chargement mécanique : La gaine est soumise à la différence de pression externe exercée par le fluide caloporteur (155 bars) et la pression interne exercée par l’hélium introduit au cours de la fabrication du crayon (environ 50 à 60 bars en service) [Guérin et Henckes, 2008]. Cette différence de pression est amenée à évoluer en service, notamment suite au relâchement des gaz de fission. En résulte une réduction du diamètre des gaines en fonctionnement par fluage. De plus, les pastilles peuvent gonfler, induisant parfois un contact appelé Interaction Pastille Gaine (IPG) qui peut localement provoquer une déformation [Rebeyrolle et Frichet, 2001],
– Corrosion et hydruration : Du fait de la température et de l’environnement aqueux, la gaine s’oxyde progressivement et se recouvre d’une couche de zircone qui peut atteindre quelques dizaines de microns en fin de vie [Rebeyrolle et Frichet, 2001]. Cette réaction d’oxydation libère, par dissociation des molécules d’eau, de l’hydrogène dont une partie peut pénétrer dans la gaine. Ce phénomène peut produire une fragilisation du gainage, notamment par formation d’hydrures [Tung et al., 2016].
– Irradiation : Le contact direct de la gaine avec les produits de fission implique de nombreuses modifications structurales résultant par exemple de déplacements d’atomes. On peut citer la formation de défauts ponctuels, de boucles de dislocations ou bien la dissolution et la reprécipitation des phases de Laves [Lemaignan et Motta, 1994].

Ces facteurs doivent être pris en compte lors de l’étude de la gaine en conditions nominales. Cependant, des scénarios accidentels hypothétiques sont aussi envisagés dans le cadre de la défense en profondeur, notamment l’Accident par Perte de Réfrigérant Primaire.

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Table des matières

Chapitre I : Contexte et bibliographie générale
I.1 – Contexte de l’étude
I.1.1. Fonctionnement d’un Réacteur à Eau Pressurisée (REP)
I.1.2. Le gainage combustible
I.1.3. Conditions normales de fonctionnement
I.1.4. L’Accident par Perte de Réfrigérant Primaire (APRP)
I.2 – Revue bibliographique des principaux dispositifs d’essai
I.2.1 – Présentation des principaux dispositifs d’essai multi-crayons
I.2.2 – Présentation des principaux dispositifs d’essai mono-crayon
I.2.3 – Apport des dispositifs sur la compréhension du ballonnement
I.3 – Objectifs et démarche de la thèse
Chapitre II : Campagne expérimentale et étude phénoménologique du ballonnement-éclatement en fluage et en rampe de température
II.1 – Moyens expérimentaux d’étude du ballonnement-éclatement
II.1.1. Matériau et éprouvettes
II.1.2. Description du dispositif semi-intégral APRP d’EDF R&D
II.1.3. Qualification thermique du four à ouverture du dispositif semi-intégral APRP
II.2 – Analyse des essais réalisés sur le dispositif semi-intégral APRP
II.2.1. Dépouillement des essais de fluage
II.2.2. Dépouillement des essais en rampe
II.3 – Conclusion
Chapitre III : Développement de modèles semi-analytiques pour la modélisation du ballonnement
III.1 – Présentation des modèles analytiques
III.1.1. Modèle du cylindre parfait
III.1.2. Modèle avec géométrie ballonnée
III.2 – Comparaison des modèles avec le calcul aux éléments finis Code_Aster
III.2.1. Calculs éléments finis avec Code_Aster
III.2.2. Influence de la distance PQ pour les calculs semi-analytiques
III.2.3. Confrontation des modèles avec le calcul par éléments finis
III.3 – Applications
III.3.1. Rampe de température
III.3.2. Présence d’un gradient axial de température
III.4 – Conclusion
Chapitre IV : Comportement du gainage combustible en Zircaloy-4 en fluage sous pression interne
IV.1 – Identification d’une loi de comportement
IV.1.1. Etude bibliographique du comportement mécanique du Zircaloy-4
IV.1.2. Identification d’une loi de comportement par régression linéaire
IV.1.3. Identification d’une loi de comportement basée sur le module LDC0D
IV.2 – Modélisation des essais avec les lois de comportement identifiées
IV.2.1. Description des différentes modélisations
IV.2.2. Résultats
IV.2.3. Conclusion
IV.3 – Sensibilité des résultats aux paramètres de modélisation
IV.3.1. Fluage
IV.3.2. Rampes
IV.3.3. Conclusion
IV.4 – Conclusion
Chapitre V : Etude du ballonnement par la méthode des éléments finis
V.1 – Revue de l’état de l’art pour la modélisation 3D du ballonnement
V.2 – Modélisations aux éléments finis représentatives des essais réalisés au sein du dispositif semi-intégral APRP
V.2.1. Modélisation de référence des essais
V.2.2. Etude de l’influence de la symétrie du champ de température
V.2.3. Amélioration de la prédiction du temps à rupture
V.3 – Conclusion
Chapitre VI : Conclusion générale

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