Les exploitants cherchent à optimiser les performances du combustible et de la gestion des cœurs, afin :
• D’augmenter la disponibilité du parc ;
• d’assurer une plus grande fiabilité et une souplesse d’exploi- tation accrue ;
• d’économiser la matière première, en tirant un maximum d’énergie de l’uranium naturel.
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La gestion du combustible dans les cœurs de réacteurstout en maintenant (voire en améliorant) le niveau de sûreté. Au niveau d’un parc de réacteurs, la recherche d’une optimi- sation globale comprend plusieurs niveaux :
• La répartition des arrêts de tranche en fonction des demandes prévisionnelles saisonnières ;
• la flexibilité dans la durée des campagnes : il est important de pouvoir anticiper les durées de campagne pour adapter la capacité à la demande et répondre aux aléas d’exploita- tion du parc, sur des échelles de temps de l’ordre de la jour- née ou de la semaine ;
• la souplesse d’exploitation du réacteur, pour répondre au suivi du réseau sur des échelles de temps de l’ordre de la minute, et améliorer en fin de campagne les possibilités de fonctionnement à puissance réduite.
D’autres aspects, selon les situations, peuvent avoir plus ou moins d’importance. La réduction du nombre d’assemblages utilisés par MWe produits peut être une motivation pour défi- nir une gestion. La gestion du combustible a un impact fort sur l’encombrement des piscines d’entreposage d’assemblages de combustibles irradiés et sur les transports de combustibles neufs et irradiés, par exemple.
La composition isotopique au déchargement du combustible, notamment la quantité et la qualité du plutonium, résulte d’un choix de gestion qui a des conséquences sur les opérations de l’aval du cycle du combustible, notamment sur le traitement des combustibles usés et sur le recyclage du plutonium en REP.
Aujourd’hui, les recherches sont orientées par des pro- grammes visant à allonger les campagnes et la durée d’irra- diation des assemblages combustibles : en France, on est passé d’un taux de combustion de 33 GWj/t en gestion par tiers de cœur dans les années 80, à 52 GWj/t en gestion par quart de cœur, aujourd’hui. Le tableau ci-dessous présente la situation actuelle.
Combustible et économie
La gestion du combustible dans le cœur du réacteur n’est qu’un élément parmi d’autres dans la question plus générale de l’optimisation du cycle du combustible.
Il est vrai que le combustible n’intervient pas de façon prépon- dérante dans le coût du MWh : seulement 4,3€/MWh, en incluant toutes les opérations du cycle du combustible, depuis la mine jusqu’au déchet. Cependant, à l’échelle d’un parc de réacteurs, tout progrès sur la gestion du combustible peut se chiffrer rapidement en milliards d’euros par an, ce qui justifie une recherche active.
Les éléments à prendre en compte pour une optimisation tech- nico-économique du combustible sont le coût de la matière première, le coût de l’enrichissement, le coût de fabrication d’un élément combustible, le coût de fonctionnement du réac- teur (qui dépend de la longueur des cycles d’irradiation), le coût du traitement-recyclage et de la gestion des déchets. Tous ces éléments interviennent de façon compliquée et bouclée dans l’optimisation technico-économique du combustible et de sa gestion. Par exemple, si l’on veut gagner à la fois sur le coût de fabrication des éléments combustibles nécessaires à la pro- duction d’un MWh et sur le coût de fonctionnement, on sera amené à augmenter le taux de combustion et à allonger la durée des cycles d’irradiation. Ce faisant, l’uranium du crayon sera certes mieux utilisé, mais il devra également être plus enrichi…et il aura fallu plus d’uranium naturel pour produire
Les principales études menées par EDF (tableau ci-contre) touchent toutes les tranches du parc français :
• REP900 : gestion parité MOX démarrée en 2007, dont l’ob- jectif est d’atteindre l’équivalence en taux de combustion des combustibles UOX et MOX (taux de combustion maximal de l’assemblage combustible : 52 GWj/t)
• REP1300 gestion GALICE : 60GWj/t vers 2008 et 70 GWj/t vers 2015 avec les enrichissements correspondants de 4,5 et 4,95 %, avec amélioration de la flexibilité +/- 2000 MWj/t pour la durée de cycle
• REP 1450 gestion ALCADE : vers 2008, allongement des cycles de 11 à 18 mois
Gestions actuelles des tranches du parc EDF
Réacteurs Nombre Nombre Combustible Fraction- Longueurs Gestion
d’assemblages de tranches nement des campagnes
900 MWe 157 20 UOX 3,7 % 1/4 12 mois, 45 GWj/t GARANCE
MOX 7,1 % 1/3 12 mois, 37 GWj/t
900 MWe 157 8 dont 2 avec URE UOX 3,7 % 1/4 12 mois 48 GWj/t
900 MWe 157 6 UOX 4,2 % 1/3 18 mois, 52 GWj/t CYCLADE
1 300 MWe 193 20 UOX 4 % 1/3 18 mois , 47 GWj/t GEMMES
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Les combutibles nucléaires
Les modes de gestion du combustible envisagés pour le futur amènent à faire fonctionner le combustible dans des condi- tions plus dures. Cela est rendu possible par les progrès réa- lisés sur les céramiques combustibles, et, surtout, sur les matériaux de gainage. Le CEA participe à l’évolution de ces gestions en réalisant des programmes de R&D sur le combus- tible destinés à proposer, à conforter et à valider les options techniques pour les combustibles à performances accrues.
ledit crayon. Au final, seul un calcul détaillé permettra de dire si on a gagné en termes de consommation de matière pre- mière et de travail de séparation.
L’optimisation technico-économique ci-dessus est une optimi- sation sous contrainte, car on a vu qu’il existait des limitations technologiques à l’utilisation du combustible : l’épuisement des noyaux fissiles et l’empoisonnement par les produits de fission imposent des limites neutroniques au taux de combustion maximal admissible pour un combustible donné. Par ailleurs, la tenue du combustible en réacteur n’est pas illimitée, du fait de l’irradiation et de la tenue de la gaine à la corrosion. Il faut arrê- ter l’irradiation d’un assemblage combustible avant que des situations accidentelles potentielles ne risquent de compro- mettre la tenue de la gaine. En pratique, on règle les para- mètres caractérisant le combustible de telle sorte qu’il n’y ait pas un seul facteur limitant, mais plusieurs, imposant leur limi- tation de façon concomitante : par exemple, il est inutile d’en- richir l’uranium d’un crayon à 6 % pour le rendre neutronique- ment apte à subir un taux de combustion de 80 GWj/t, si la gaine de ce crayon ne résiste pas à plus de 60 GWj/t, du fait de la corrosion.
Toutes les évaluations technico économiques de la gestion du combustible [1] montrent qu’il est avantageux d’augmenter le taux de combustion au moins jusqu’à 60 GWj/t, en augmen- tant du même coup l’enrichissement, la densité de puissance
Fig. 73. Le coût du combustible en fonction du taux de combustion, évalué par l’OCDE/AEN [1]. Ce coût dépend beaucoup
des hypothèses retenues. Pour plus de détails, se reporter à la référence [1]. 8 7 6 5 4 3 40 50 60 70 80 90 100 0 % taux d’intérêt 5 % taux d’intérêt 10 % taux d’intérêt
Taux de combustion moyen (GWj/t)
Coût du comb
ustib
le ($/MWh)
et la durée des cycles d’irradiation. Au-delà de 60 GWj/t, il semble qu’on ne gagne plus grand-chose au plan économique (fig. 73), mais l’évaluation du coût dépend de nombreux para- mètres, en particulier des taux d’intérêt et du mode de gestion des combustibles usés, si bien qu’il faut étudier la situation de chaque pays, voire de chaque réacteur, au cas par cas.
Gestions étudiées pour les tranches actuelles d’EDF
Réacteurs Nombre Nombre Combustible Fraction- Longueurs Gestion
d’assemblages de tranches nement des campagnes
900 MWe 157 20 UOX 3,7% 1/4 12 mois, 48 GWj/t Parité
MOX 8,6 % 1/4 12 mois, 48 GWj/t MOX
1 300 MWe 193 20 UOX 4,5% 1/3 - 1/4 18 mois, 55 GWj/t GALICE
1 450 MWe 193 4 UOX 1/3 17 mois, 47 GWj/t ALCADE
Références
[1] « Very High Burn-ups in Light Water Reactors », publication OCDE 2006, AEN N° 6224.
Richard LENAIN,
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Les combustibles nucléaires