réacteur nucléaire
Cette étude, qui entre dans le cadre du projet européen RAPHAEL, traite de la lixiviation dynamique d'un kernel irradié de combustible HTR sous conditions géologiques, c'est-à-dire avec de l'eau synthétique à potentiel réducteur.
Dans le cas d'un éventuel stockage des particules TRISO en condition géologique, il a été montré que les radioéléments restent piégés aussi longtemps que la gangue reste intacte. Mais si les différentes couches (en particulier SiC) rompent dû à des interactions mécaniques et/ou chimiques, leur comportement à long terme dépend principalement de la stabilité chimique du kernel. Sa stabilité est supposée dépendante des conditions redox du milieu de stockage. Dans les concepts européens de stockage, les conditions oxydantes ne sont présentent que sur le court terme, dues à la présence résiduelle d'oxygène enfermé dans le colis ou dues à la décomposition radiolytique de l'eau par l'irradiation α. Par contraste, un environnement réducteur est attendu dans le milieu de stockage (l'argile) à long terme.
Cette étude donne alors des informations sur les produits de fission et les actinides relâchés issus du kernel irradié et permet d'apprécier leur congruence ou non entre eux et par rapport à la matrice de thorium/uranium.
La particule irradiée a été obtenue du FZJ en 2004. La composition initiale d'oxydes dans le kernel avant irradiation est la suivante : 84,4 % de ThO2 et 15,6 % d'UO2 et les proportions initiales en
isotopes de l'uranium était 90,84 % de 235U et 9,16 % de 238U (rapport d'environ 9,92). La durée d'irradiation a été de 182 jours en 1978. La masse du kernel était de 3,35.10-4 g et sa surface de 5,204.10-7 m2. Après irradiation, l'inventaire des radioéléments indique que les trois radioéléments qui ont l'activité spécifique la plus élevée sont le césium 137 (7,49.109 Bq/g), le strontium 90 (5,18.109 Bq/g) et le plutonium 238 (3,32.107 Bq/g). Ce sont alors ces radioéléments qui ont été analysés.
L'expérience de lixiviation a débuté en octobre 2004 suivant le protocole décrit en référence [220]. Brièvement, le pH de l'eau synthétique est d'environ 7,5 ; les conditions réductrices sont assurées par du sulfure de sodium ; le gaz est purifié de l'oxygène en bullant dans une solution de métavanadate d'ammonium en présence d'un amalgame de zinc et de mercure (les réactions sont détaillées en [220]) ; le kernel est placé dans un réacteur en inox à travers duquel circule la solution grâce à une pompe péristaltique à un débit d'environ 2 mL/h. La solution est alors collectée dans un flacon, qui est périodiquement vidé pour l'analyse de 137Cs, 90Sr et 238Pu.
La solution est dans un premier temps analysée en spectrométrie gamma : le pic du césium 137 apparaît à 661,65 keV. Le césium est ensuite éliminé par le phosphomolybdate d'ammonium (AMP) puis le strontium est séparé du reste des radioéléments par un passage sur une résine qui retient spécifiquement le Sr. Le strontium 90 est alors analysé en scintillation liquide (il est émetteur β-). Enfin, le plutonium est séparé des autres radioéléments par passage sur des résines échangeuses d'ions à différentes concentrations d'acides et à différents degrés d'oxydation. Le 238Pu est également analysé en scintillation liquide (il est émetteur α).
y = 0.00029x + 6.7765 R2 = 0.9270 y = 0.00048x + 0.0126 R2 = 0.9924 y = 0.00753x + 7.4658 R2 = 0.9974 y = 0.00347x + 8.5382 R2 = 0.9976 y = 0.00132x + 9.7273 R2 = 0.9442 y = 0.00020x + 0.0933 R2 = 0.9865 0 2 4 6 8 10 12 0 200 400 600 800 1000 1200
Temps cumulé (Jours)
NL Cs , Sr, Pu (g/m²) Cs 137 Sr 90 Pu 238 N2 Ar 95% / H2 5%
Figure 115 : Pertes de masses normalisées de 137Cs, 90Sr et 238Pu
Pour 137Cs et 238Pu, il y a un fort relâchement instantané en début de lixiviation qui correspond à la fraction labile de la surface du kernel et accessible aux joints de grains. La nature du gaz semble jouer un rôle : sous Ar/H2 la vitesse de corrosion est environ deux fois plus faible que sous N2 (au
lieu de l'argon), contrairement à ce qui a été observé pendant les irradiations α. Les résultats montrent aussi un relâchement relativement faible et congruent entre le plutonium et le strontium, indiquant une dissolution de la matrice à un taux compris entre 0,2 et 0,3 mg.m-2.j-1 tandis que le relâchement de césium est encore quatre fois plus élevé après 1000 jours.
On peut conclure de ces résultats et de ceux obtenus par irradiation α (les résultats sont également résumés dans la référence [221]) que la radiolyse α est un facteur clé limitant la stabilité du combustible HTR usé. Néanmoins, des résultats contradictoires de l'effet de H2 sur la dissolution de
l'UO2 sont obtenus. De futures expériences au cyclotron ARRONAX devraient permettre d'éclaircir
Sigles et acronymes
Réacteurs, projets, composants
AGR : Advanced Gas-cooled Reactor ANTARES : Areva New Technology for Advanced Reactor Energy Supply
AVR : Arbeitsgemeinschaft Versuchs Reaktor (consortium de réacteur d'essai)
EPR : European Pressurized Reactor
ESBWR : Economic Simplified Boiling Water Reactor
FP : Framework Programme FSV : Fort Saint Vrain
GFR : Gas-cooled Fast Reactor
GT-MHR : Gas Turbine - Modular Helium Reactor,
HTGR : High Temperature Gas-cooled graphite- moderated Reactor
HTLTR : High-Temperature Lattice Test Reactor HTTR : High Temperature engineering Test Reactor
HTR : High Temperature Reactor IHX : Intermediate Heat eXchanger LFR : Lead-cooled Fast Reactor LWR : Light Water-cooled Reactor MAGNOX : MAGNesium OXide MSR : Molten Salt Reactor
NGNP : Next Generation Nuclear Plant
NHDD : Nuclear Hydrogen Development and Demonstration
PBMR : Pebble Bed Modular Reactor PBR : Pebble Bed Reactor
PCHE : Printed Circuit Heat Exchanger PFHE : Plate Fin Heat Exchanger PSHE: Plate Stamped Heat Exchanger PUMA : PlUtonium and Minor Actinides Management in Thermal High Temperature Reactors
RAPHAEL : ReActor for Process Heat And ELectricity
RBMK : Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy (réacteur de grande puissance à tubes de force) REB : Réacteur à Eau Bouillante
REP : Réacteur à Eau Pressurisée SAR : Siemens-Argonaut Reactor
SCWR : SuperCritical-Water-cooled Reactor SFR : Sodium-cooled Fast Reactor
SHE : Semi-Homogeneous Experiments THTR : Thorium-Hochtemperaturreaktor (réacteur à haute température au thorium) UNGG : Uranium Naturel Graphite Gaz VHTR : Very High Temperature Reactor
Instituts, sociétés, organisations
AEN : Agence pour l‘Énergie Nucléaire AIEA : Agence Internationale pour l‘Énergie Atomique
ANL : Argonne National Laboratory
ARRONAX : Accélérateur pour la Recherche en Radiochimie et Oncologie à Nantes Atlantique ASN : Autorité de Sûreté Nucléaire
BNFL : British Nuclear Fuels Limited BNL : Berkeley National Laboratory
BNWL : Battelle-Pacific NorthWest Laboratory CEA : Commissariat à l‘Énergie Atomique CEMHTI : Conditions Extrêmes et Matériaux : Haute Température et Irradiation
CERCA : Compagnie pour l‘Étude et la
CERI : Centre d'Études et de Recherches par Irradiation
CGNPC : China Guangdong Nuclear Power Corporation
CNEA : Comisión Nacional de Energía Atómica CNEN : Comissão Nacional de Energia Nuclear CNRS : Centre National de la Recherche
Scientifique
DME : Department of Minerals and Energy DOE : Department Of Energy
EDF: Électricité De France FE : Fuji Electric
FZJ : ForschungsZentrum Jülich GA : General Atomics